高层建筑结构抗震设计探微

2015-04-07刘军华彦

四川水泥 2015年1期

关键词：剪力墙抗震框架

刘军华彦

（1.大连天工建筑设计有限公司 2.大连润天房屋开发有限公司）

高层建筑结构抗震设计探微

刘军1华彦2

（1.大连天工建筑设计有限公司 2.大连润天房屋开发有限公司）

近年来高层建筑越来越流行，但地震等自然灾害的多发影响了人们的基本生活和生命财产安全，所以，高层建筑的抗震设计是业内人士极为关注的问题之一。本文对高层建筑结构抗震设计进行了分析。

高层建筑抗震设计地震破坏特点

由于地震作用是一种随机性很强的循环、往复荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，存在着许多模糊和不确定因素，在结构内力分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，计算方法还很不完善，单靠微观的数学力学计算还很难使建筑结构在遭遇地震时真正确保具有良好的抗震能力。所以，抗震设防是工程设计面临的迫切任务。首先就应该从高层建筑结构在地震作用下的破坏特点入手。

1.破坏特点

（1）房屋体形方面。①L形、T形、Y形等不规则平面房屋建筑破坏率显著增高；②有大底盘的高层建筑，裙房顶面与主楼相接处面积突然减小的楼层，即相邻楼层质量突变较大时，破坏程度加重；③防震缝设置宽度太小导致建筑物间发生碰撞破坏；④楼层平面形心与重心偏移越大，震害越严重。

（2）刚度分布方面。①矩形平面布置的建筑结构，电梯井等抗侧力构件的布置当存在偏心时，因发生扭转振动而使震害加重；②采用三角形、L形等不对称平面的建筑结构，同样在地震作用因发生扭转振动而使震害加重。

（3）地基方面。①在具有较厚软弱冲积土层场地，高层建筑的破坏率显著增高；②地基土液化导致地基不均匀沉降，从而引起上部结构损坏或整体倾斜；③建造在不利或危险地段的房屋建筑，因地基破坏导致房屋损坏。④当建筑结构的基本周期与场地自振周期相近时，因共振效应破坏程度将加重。

（4）结构体系方面。①采用“填墙框架”的房屋结构，钢筋混凝土框架结构平面内柱上端易发生剪切破坏，外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切型破坏；②采用框架一抗震墙体系的房屋结构，破坏程度较轻；③采用“底框结构”体系的房屋，刚度柔弱的底层破坏程度十分严重；采用“填墙框架”体系的房屋，当底层为敞开式框架间未砌砖墙，底层同样遭到严重破坏；④采用钢筋混凝土板、柱体系结构的建筑，因楼板冲切或因楼层侧移过大、柱脚破坏，各层楼板坠落重叠在地面。

（5）构件形式方面。①在框架结构中，通常柱的破坏程度重于梁、板；②钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙通常会出现斜向或交叉裂缝；③配置螺旋箍筋的混凝土柱，当层间位移角达到较大数值时，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有较大的抵抗能力；④钢筋混凝土框架如在同一楼层出现长、短柱并用的情况，短柱破坏较为严重。

2.抗震设计的方法

2.1 重视结构的均匀性设计

在高层建筑中，结构的均匀性主要体现在以下四个方面：

（1）高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要尽可能的接近、变形特性要比较相似。主要原因是因为实际的高层建筑结构都是三维的，实际的地震作用、风荷载都具有任意的方向性，高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，这就就能具有比较良好的抗震和抗风性。

（2）高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀，不能发生突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变，这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。

（3）高层建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽可能均匀，还应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构，如长窄的实体剪力墙。此时，即使结构仍满足对称性和刚度的要求，但由于这个别结构刚度巨大，地震发生时，将首先吸收极大的能量，应力特别集中，容易首先招致破坏，从而引起整体结构的破坏。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀，水平荷载作用下应力分布将比较均匀，有利于结构抗震延性的实现。

（4）高层建筑主体抗侧力结构的平面布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免高层建筑在地震或风的扭矩作用下产生过大的扭转变形，从而引起结构或非结构构件的破坏。

2.2 合理选择建筑结构体系

高层建筑结构体系选择是结构设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定的作用。

结构体系宜有多道抗震防线。框架一剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的 50%。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的 20%和框架各层地震剪力最大值的1.5倍两者的较小值。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁(包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。再就是连梁的刚度、承载力和变形能力应与墙肢相匹配，避免连梁过强而使墙肢产生较大拉力而过早出现刚度和承载力退化。一般情况下，联肢墙宜采用弱连梁。

合理的高层建筑主体抗侧力结构刚度以满足和略大于规范限值即可，结构的延性和安全储备主要依靠合理的结构构造和精心的设计。单纯靠加大结构截面尺寸来加大刚度，有时会适得其反，如果配筋构造等措施没有相应跟上，反而会造成结构的隐患，多花了材料、成本，反而损坏了结构的延性和安全度。

总之，框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力。框架一剪力墙结构和剪力墙结构中剪力墙的各墙段的高宽比不宜小于2，使其呈弯剪破坏，且塑性屈服也宜产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。