高层建筑的抗震概念设计

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摘要：“概念设计”是从工程结构的震害和设计经验中总结出来的，对结构的抗震设计具有重要意义，主要内容包括：工程结构的场地选择，建筑的平立面布置，结构选型与结构布置，设置多道抗震防线和确保结构的整体性等。

关键词：概念设计 工程结构 结构选型 抗震防线 地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是一个地震多发国家。20世纪以来，中国共发生6级以上地震近800次，遍布除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外的所有行政区域。自1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。据有关部门预测，我国未来50年除江南地区几个省外，均可能发生地震。面对如此大范围的地震可能，作为城市的必要构成——建筑物，其结构的抗震性能就具有充分的研究必要性。 地震是一种随机震动，有难于把握的复杂性和不确定性，因此，工程抗震问题不能完全依靠“计算设计”（Numerical Design）解决，而根据工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念，往往是构造良好结构性能的决定性因素，这即是“概念设计”（Conceptual Design）。概念设计主要包括有： 1 选择有利的抗震场地 通过比较震害普查绘制的等震线图可以发现：在正常的烈度区内，常存在着小块的高一度或低一度的烈度异常区；同一次地震的同一烈度区内，位于不同小区的房屋，尽管建筑形式、结构类别、施工质量等情况基本相同，但震害程度却出现较大差异，究其原因，主要是地形和场地条件不同造成的。国内多次大地震的调查也表明，局部地形条件是影响建筑物破坏程度的一个重要因素。 位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土是对建筑抗震有利的地段。对建筑抗震不利的地段，一般是可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段。就地形而言，一般是条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘；就场地土质而言，一般是软弱土、易液化土，故河道、断层破碎带或半挖半填地基等。一般情况下，遇到不利地段时宜采取避开的方案，实在无法避开时，应尽量使建筑物场地选择建在基岩或薄土层上，或具有较大“平均剪切波速”的坚硬场地土上，以减少输入建筑物的地震能量，从根本上减轻地震对建筑物的破坏作用。 2 科学布局建筑平面和立面 建筑平面和立面的规整性是结构设计中的一个十分基础、重要的内容。建筑平面、立面在抗震设计中宜尽可能简洁、规则，结构质量中心与刚度中心相一致。对于结构平面布置不规则的房屋质心与刚度中心往往不容易重合，在地震作用下会产生扭转效应，大大加剧地震的破坏力度。建筑立面设计时应避免采用带有突然变化的阶梯形立面，并尽可能降低房屋的重心，突出屋面建筑部分的高度不应过高，以免地震时发生鞭梢效应。建筑的层数越多，高度越高，它的地震破坏程度越大，因为楼盖重量占房屋总重的一半左右，总高度相同，多一层楼盖就意味着增加半层楼的側向地震作用，同时加大对底部的倾覆力矩，所以控制砖砌体房屋的总高度及总层数对减少地震时带来的震害有很大作用，减轻自重、减少层数、降低层高是削弱地震影响的有效途径之一。现行建筑抗震设计规范（GB50011—2001）对多层砌体房屋的总高度和总层数有了强制性规定：多层砌体房屋的总高度及层数应满足下表中的限值。   建筑平立面设计中不可避免采用严重不规则的设计方案时，应尽量在适当部位设置防震缝，将体型复杂，平面特别不规则的建筑布局分割成几个相对规则的独立单元。在兼顾建筑造型，又满足使用功能要求的前提下，将平面布置、立面外观造型设计得较为规整、简洁、美观大方；同时又能有效地提高工程的抗震性能。 3 合理地进行结构的选型与布置 在结构选型方面应根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，经济技术、经济条件比较综合确定。常见的结构类型按照抗震性能优劣依次是：钢结构，型钢混凝土结构，混凝土-钢混合结构，现浇钢筋混凝土结构，预应力混凝土结构，装配式钢筋混凝土结构，配筋砌体结构，砌体结构等。 结构布置要遵循平面布置力求对称；竖向布置力求均匀的一般原则。在采用纯框架结构的高层建筑中应尽量避免将楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连，这样会使该柱变成短柱，地震时容易发生剪切破坏。 4 确保结构的整体性 结构的整体性是保证结构各部件在地震作用下协调工作的必要条件。要确保结构具有足够的抗震可靠度，就要使结构在地震作用下不丧失整体性。结构抗震能力的强弱取决于结构的空间整体刚度和整体稳定性。施工质量良好的现浇钢筋混凝土结构和型钢混凝土结构具有整体性好、水平刚度大的优点，是比较理想的抗震构件，使用这种结构不但可消除滑移、散落问题，增加结构的整体性，增大楼板的刚度，而且由于以剪切变形为主的砌体结构，层间变形是可控制的，所以对平面上墙体对齐的要求也可以适当放宽。较强的楼板及屋盖水平刚度使荷载传递具有良好的条件，平面上，当上下墙体不对齐时，现浇楼板及屋盖能起到一定的传递水平力的作用，同时楼、屋盖现浇增加了楼板对墙体的约束。在适当的部位增设构造柱，并配置些构造钢筋，也能达到增强结构整体性的作用；另外，设置配筋圈梁可限制散落问题，增强空间刚度，提高结构整体稳定性，从而提高房屋的抗震性能。 5 非结构部件处理 在地震作用下，建筑中的内隔墙、楼梯踏步板、框架填充墙、建筑外围墙板等部件也会或多或少地参与工作，可能改变整个结构或某些构件的刚度、承载力和传力路线，产生出乎意料的抗震效果，或造成未估计到的局部震害。妥善处理这些非结构部件，可减轻震害，提高建筑的抗震可靠度。 概念设计强调，在工程设计一开始，就应把握好能量输入、房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面。从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，就有可能使设计出的房屋具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。 参考文献 [1] 建筑抗震设计规范（GB50011—2001）．北京．中国建筑工业出版社，2001 [2] 方鄂华．高层建筑结构设计．北京：高等教育出版社，1994 [3] 丰定国等．工程结构抗震．北京：地震出版社，1994　 [4] 丰定国，王社良．抗震结构设计．武汉：武汉理工大学出版社，2003 [5] 童岳生，梁兴文等．钢筋混凝土构件设计．北京：科学技术文献出版社，1995　 [6] T．鲍雷等著，戴瑞同等译．钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计．北京：中国建筑工业出版社，1999   作者简介： 韩恒梅（1973-），女，汉族，河南南阳人，平顶山工业职业技术学院资源开发系教师，现从事采矿专业的教学和研究工作。