高層建筑的抗震概念設計

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摘要：“概念設計”是從工程結構的震害和設計經(jīng)驗中總結出來的，對結構的抗震設計具有重要意義，主要內容包括：工程結構的場地選擇，建筑的平立面布置，結構選型與結構布置，設置多道抗震防線和確保結構的整體性等。

關鍵詞：概念設計 工程結構 結構選型 抗震防線 地震災害是人類面臨的嚴重自然災害之一。強烈地震常造成人身和財產(chǎn)的巨大損失。我國地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，是一個地震多發(fā)國家。20世紀以來，中國共發(fā)生6級以上地震近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，中國死于地震的人數(shù)達55萬之多，占全球地震死亡人數(shù)的53%；1949年以來，100多次破壞性地震造成27萬余人喪生，占全國各類災害死亡人數(shù)的54%，地震成災面積達30多萬平方公里，房屋倒塌達700萬間。據(jù)有關部門預測，我國未來50年除江南地區(qū)幾個省外，均可能發(fā)生地震。面對如此大范圍的地震可能，作為城市的必要構成——建筑物，其結構的抗震性能就具有充分的研究必要性。 地震是一種隨機震動，有難于把握的復雜性和不確定性，因此，工程抗震問題不能完全依靠“計算設計”（Numerical Design）解決，而根據(jù)工程抗震基本理論及長期工程抗震經(jīng)驗總結的工程抗震基本概念，往往是構造良好結構性能的決定性因素，這即是“概念設計”（Conceptual Design）。概念設計主要包括有： 1 選擇有利的抗震場地 通過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，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，位于不同小區(qū)的房屋，盡管建筑形式、結構類別、施工質量等情況基本相同，但震害程度卻出現(xiàn)較大差異，究其原因，主要是地形和場地條件不同造成的。國內多次大地震的調查也表明，局部地形條件是影響建筑物破壞程度的一個重要因素。 位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻的中硬場地土是對建筑抗震有利的地段。對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，高差較大的臺地邊緣，非巖質的陡坡，河岸和邊坡的邊緣；就場地土質而言，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，遇到不利地段時宜采取避開的方案，實在無法避開時，應盡量使建筑物場地選擇建在基巖或薄土層上，或具有較大“平均剪切波速”的堅硬場地土上，以減少輸入建筑物的地震能量，從根本上減輕地震對建筑物的破壞作用。 2 科學布局建筑平面和立面 建筑平面和立面的規(guī)整性是結構設計中的一個十分基礎、重要的內容。建筑平面、立面在抗震設計中宜盡可能簡潔、規(guī)則，結構質量中心與剛度中心相一致。對于結構平面布置不規(guī)則的房屋質心與剛度中心往往不容易重合，在地震作用下會產(chǎn)生扭轉效應，大大加劇地震的破壞力度。建筑立面設計時應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過高，以免地震時發(fā)生鞭梢效應。建筑的層數(shù)越多，高度越高，它的地震破壞程度越大，因為樓蓋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向地震作用，同時加大對底部的傾覆力矩，所以控制磚砌體房屋的總高度及總層數(shù)對減少地震時帶來的震害有很大作用，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。現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范（GB50011—2001）對多層砌體房屋的總高度和總層數(shù)有了強制性規(guī)定：多層砌體房屋的總高度及層數(shù)應滿足下表中的限值。   建筑平立面設計中不可避免采用嚴重不規(guī)則的設計方案時，應盡量在適當部位設置防震縫，將體型復雜，平面特別不規(guī)則的建筑布局分割成幾個相對規(guī)則的獨立單元。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、立面外觀造型設計得較為規(guī)整、簡潔、美觀大方；同時又能有效地提高工程的抗震性能。 3 合理地進行結構的選型與布置 在結構選型方面應根據(jù)建筑的重要性、設防烈度、房屋高度、場地、地基、基礎、材料和施工等因素，經(jīng)濟技術、經(jīng)濟條件比較綜合確定。常見的結構類型按照抗震性能優(yōu)劣依次是：鋼結構，型鋼混凝土結構，混凝土-鋼混合結構，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，預應力混凝土結構，裝配式鋼筋混凝土結構，配筋砌體結構，砌體結構等。 結構布置要遵循平面布置力求對稱；豎向布置力求均勻的一般原則。在采用純框架結構的高層建筑中應盡量避免將樓梯踏步斜梁和平臺梁直接與框架柱相連，這樣會使該柱變成短柱，地震時容易發(fā)生剪切破壞。 4 確保結構的整體性 結構的整體性是保證結構各部件在地震作用下協(xié)調工作的必要條件。要確保結構具有足夠的抗震可靠度，就要使結構在地震作用下不喪失整體性。結構抗震能力的強弱取決于結構的空間整體剛度和整體穩(wěn)定性。施工質量良好的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構和型鋼混凝土結構具有整體性好、水平剛度大的優(yōu)點，是比較理想的抗震構件，使用這種結構不但可消除滑移、散落問題，增加結構的整體性，增大樓板的剛度，而且由于以剪切變形為主的砌體結構，層間變形是可控制的，所以對平面上墻體對齊的要求也可以適當放寬。較強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，當上下墻體不對齊時，現(xiàn)澆樓板及屋蓋能起到一定的傳遞水平力的作用，同時樓、屋蓋現(xiàn)澆增加了樓板對墻體的約束。在適當?shù)牟课辉鲈O構造柱，并配置些構造鋼筋，也能達到增強結構整體性的作用；另外，設置配筋圈梁可限制散落問題，增強空間剛度，提高結構整體穩(wěn)定性，從而提高房屋的抗震性能。 5 非結構部件處理 在地震作用下，建筑中的內隔墻、樓梯踏步板、框架填充墻、建筑外圍墻板等部件也會或多或少地參與工作，可能改變整個結構或某些構件的剛度、承載力和傳力路線，產(chǎn)生出乎意料的抗震效果，或造成未估計到的局部震害。妥善處理這些非結構部件，可減輕震害，提高建筑的抗震可靠度。 概念設計強調，在工程設計一開始，就應把握好能量輸入、房屋體形、結構體系、剛度分布、構件延性等幾個主要方面。從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和構造措施，就有可能使設計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 [1] 建筑抗震設計規(guī)范（GB50011—2001）．北京．中國建筑工業(yè)出版社，2001 [2] 方鄂華．高層建筑結構設計．北京：高等教育出版社，1994 [3] 豐定國等．工程結構抗震．北京：地震出版社，1994　 [4] 豐定國，王社良．抗震結構設計．武漢：武漢理工大學出版社，2003 [5] 童岳生，梁興文等．鋼筋混凝土構件設計．北京：科學技術文獻出版社，1995　 [6] T．鮑雷等著，戴瑞同等譯．鋼筋混凝土和砌體結構的抗震設計．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999   作者簡介： 韓恒梅（1973-），女，漢族，河南南陽人，平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院資源開發(fā)系教師，現(xiàn)從事采礦專業(yè)的教學和研究工作。