高層建筑的抗震概念設(shè)計(jì)

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摘要：“概念設(shè)計(jì)”是從工程結(jié)構(gòu)的震害和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有重要意義，主要內(nèi)容包括：工程結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地選擇，建筑的平立面布置，結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置，設(shè)置多道抗震防線和確保結(jié)構(gòu)的整體性等。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì) 工程結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)選型 抗震防線 地震災(zāi)害是人類(lèi)面臨的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一。強(qiáng)烈地震常造成人身和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。我國(guó)地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣，是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家。20世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)共發(fā)生6級(jí)以上地震近800次，遍布除貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)以外的所有行政區(qū)域。自1900年以來(lái)，中國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá)55萬(wàn)之多，占全球地震死亡人數(shù)的53%；1949年以來(lái)，100多次破壞性地震造成27萬(wàn)余人喪生，占全國(guó)各類(lèi)災(zāi)害死亡人數(shù)的54%，地震成災(zāi)面積達(dá)30多萬(wàn)平方公里，房屋倒塌達(dá)700萬(wàn)間。據(jù)有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)，我國(guó)未來(lái)50年除江南地區(qū)幾個(gè)省外，均可能發(fā)生地震。面對(duì)如此大范圍的地震可能，作為城市的必要構(gòu)成——建筑物，其結(jié)構(gòu)的抗震性能就具有充分的研究必要性。 地震是一種隨機(jī)震動(dòng)，有難于把握的復(fù)雜性和不確定性，因此，工程抗震問(wèn)題不能完全依靠“計(jì)算設(shè)計(jì)”（Numerical Design）解決，而根據(jù)工程抗震基本理論及長(zhǎng)期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的工程抗震基本概念，往往是構(gòu)造良好結(jié)構(gòu)性能的決定性因素，這即是“概念設(shè)計(jì)”（Conceptual Design）。概念設(shè)計(jì)主要包括有： 1 選擇有利的抗震場(chǎng)地 通過(guò)比較震害普查繪制的等震線圖可以發(fā)現(xiàn)：在正常的烈度區(qū)內(nèi)，常存在著小塊的高一度或低一度的烈度異常區(qū)；同一次地震的同一烈度區(qū)內(nèi)，位于不同小區(qū)的房屋，盡管建筑形式、結(jié)構(gòu)類(lèi)別、施工質(zhì)量等情況基本相同，但震害程度卻出現(xiàn)較大差異，究其原因，主要是地形和場(chǎng)地條件不同造成的。國(guó)內(nèi)多次大地震的調(diào)查也表明，局部地形條件是影響建筑物破壞程度的一個(gè)重要因素。 位于開(kāi)闊平坦地帶的堅(jiān)硬場(chǎng)地土或密實(shí)均勻的中硬場(chǎng)地土是對(duì)建筑抗震有利的地段。對(duì)建筑抗震不利的地段，一般是可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段。就地形而言，一般是條狀突出的山嘴，孤立的山包和山梁的頂部，高差較大的臺(tái)地邊緣，非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡的邊緣；就場(chǎng)地土質(zhì)而言，一般是軟弱土、易液化土，故河道、斷層破碎帶或半挖半填地基等。一般情況下，遇到不利地段時(shí)宜采取避開(kāi)的方案，實(shí)在無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)盡量使建筑物場(chǎng)地選擇建在基巖或薄土層上，或具有較大“平均剪切波速”的堅(jiān)硬場(chǎng)地土上，以減少輸入建筑物的地震能量，從根本上減輕地震對(duì)建筑物的破壞作用。 2 科學(xué)布局建筑平面和立面 建筑平面和立面的規(guī)整性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分基礎(chǔ)、重要的內(nèi)容。建筑平面、立面在抗震設(shè)計(jì)中宜盡可能簡(jiǎn)潔、規(guī)則，結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與剛度中心相一致。對(duì)于結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則的房屋質(zhì)心與剛度中心往往不容易重合，在地震作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，大大加劇地震的破壞力度。建筑立面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免采用帶有突然變化的階梯形立面，并盡可能降低房屋的重心，突出屋面建筑部分的高度不應(yīng)過(guò)高，以免地震時(shí)發(fā)生鞭梢效應(yīng)。建筑的層數(shù)越多，高度越高，它的地震破壞程度越大，因?yàn)闃巧w重量占房屋總重的一半左右，總高度相同，多一層樓蓋就意味著增加半層樓的側(cè)向地震作用，同時(shí)加大對(duì)底部的傾覆力矩，所以控制磚砌體房屋的總高度及總層數(shù)對(duì)減少地震時(shí)帶來(lái)的震害有很大作用，減輕自重、減少層數(shù)、降低層高是削弱地震影響的有效途徑之一?，F(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011—2001）對(duì)多層砌體房屋的總高度和總層數(shù)有了強(qiáng)制性規(guī)定：多層砌體房屋的總高度及層數(shù)應(yīng)滿足下表中的限值。   建筑平立面設(shè)計(jì)中不可避免采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)盡量在適當(dāng)部位設(shè)置防震縫，將體型復(fù)雜，平面特別不規(guī)則的建筑布局分割成幾個(gè)相對(duì)規(guī)則的獨(dú)立單元。在兼顧建筑造型，又滿足使用功能要求的前提下，將平面布置、立面外觀造型設(shè)計(jì)得較為規(guī)整、簡(jiǎn)潔、美觀大方；同時(shí)又能有效地提高工程的抗震性能。 3 合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型與布置 在結(jié)構(gòu)選型方面應(yīng)根據(jù)建筑的重要性、設(shè)防烈度、房屋高度、場(chǎng)地、地基、基礎(chǔ)、材料和施工等因素，經(jīng)濟(jì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件比較綜合確定。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型按照抗震性能優(yōu)劣依次是：鋼結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土-鋼混合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，配筋砌體結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)等。 結(jié)構(gòu)布置要遵循平面布置力求對(duì)稱(chēng)；豎向布置力求均勻的一般原則。在采用純框架結(jié)構(gòu)的高層建筑中應(yīng)盡量避免將樓梯踏步斜梁和平臺(tái)梁直接與框架柱相連，這樣會(huì)使該柱變成短柱，地震時(shí)容易發(fā)生剪切破壞。 4 確保結(jié)構(gòu)的整體性 結(jié)構(gòu)的整體性是保證結(jié)構(gòu)各部件在地震作用下協(xié)調(diào)工作的必要條件。要確保結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠度，就要使結(jié)構(gòu)在地震作用下不喪失整體性。結(jié)構(gòu)抗震能力的強(qiáng)弱取決于結(jié)構(gòu)的空間整體剛度和整體穩(wěn)定性。施工質(zhì)量良好的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有整體性好、水平剛度大的優(yōu)點(diǎn)，是比較理想的抗震構(gòu)件，使用這種結(jié)構(gòu)不但可消除滑移、散落問(wèn)題，增加結(jié)構(gòu)的整體性，增大樓板的剛度，而且由于以剪切變形為主的砌體結(jié)構(gòu)，層間變形是可控制的，所以對(duì)平面上墻體對(duì)齊的要求也可以適當(dāng)放寬。較強(qiáng)的樓板及屋蓋水平剛度使荷載傳遞具有良好的條件，平面上，當(dāng)上下墻體不對(duì)齊時(shí)，現(xiàn)澆樓板及屋蓋能起到一定的傳遞水平力的作用，同時(shí)樓、屋蓋現(xiàn)澆增加了樓板對(duì)墻體的約束。在適當(dāng)?shù)牟课辉鲈O(shè)構(gòu)造柱，并配置些構(gòu)造鋼筋，也能達(dá)到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性的作用；另外，設(shè)置配筋圈梁可限制散落問(wèn)題，增強(qiáng)空間剛度，提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，從而提高房屋的抗震性能。 5 非結(jié)構(gòu)部件處理 在地震作用下，建筑中的內(nèi)隔墻、樓梯踏步板、框架填充墻、建筑外圍墻板等部件也會(huì)或多或少地參與工作，可能改變整個(gè)結(jié)構(gòu)或某些構(gòu)件的剛度、承載力和傳力路線，產(chǎn)生出乎意料的抗震效果，或造成未估計(jì)到的局部震害。妥善處理這些非結(jié)構(gòu)部件，可減輕震害，提高建筑的抗震可靠度。 概念設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)，在工程設(shè)計(jì)一開(kāi)始，就應(yīng)把握好能量輸入、房屋體形、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等幾個(gè)主要方面。從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造措施，就有可能使設(shè)計(jì)出的房屋具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。 參考文獻(xiàn) [1] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011—2001）．北京．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001 [2] 方鄂華．高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．北京：高等教育出版社，1994 [3] 豐定國(guó)等．工程結(jié)構(gòu)抗震．北京：地震出版社，1994　 [4] 豐定國(guó)，王社良．抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003 [5] 童岳生，梁興文等．鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1995　 [6] T．鮑雷等著，戴瑞同等譯．鋼筋混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999   作者簡(jiǎn)介： 韓恒梅（1973-），女，漢族，河南南陽(yáng)人，平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源開(kāi)發(fā)系教師，現(xiàn)從事采礦專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和研究工作。