工业设计构思高层建筑抗震设计

　　工业设计构思高层建筑抗震设计 推荐本站优秀建筑设计杂志：《工业设计》杂志是目前国内唯一专业报道工业设计的综合性期刊。《工业设计》杂志为月刊，国内外公开发行，内页128P国内统一刊号：CN23-1516/T，国际标准刊号：ISSN1672-7053，全彩精印。

　　摘要：高层建筑抗震工作一直是建筑设计和施工的重点，概述高层建筑的发展，对建筑抗震进行必要的理论分析，从而来探索高层建筑的设计理念、方法，从而采取必须的抗震措施。为了避免短柱脆性破坏问题在高层建筑中发生，笔者认为，首先要正确判定短柱，然后对短柱采取一些构造措施或处理，提高短柱的延性和抗震性能。

　　关键词：工业设计,高层建筑,抗震,设计

　　1、高层建筑抗震设计特点

　　1.1控制建筑物的侧移是重要的指标。高层建筑结构的侧移是结构设计中的关键决定因素。在地震作用下,建筑结构所产生的水平剪切力,使建筑物产生明显的侧移,随着建筑结构高度的不断增加,结构的侧向位移快速增大,结构的变形也随之增大，侧向位移过大将使结构产生附加内力，附加偏心力超过一定限值时，将会引取整个结构的倒塌，因此必须将侧移限制在一定的范围之内,也就是结构构件应具有必要的强度、刚度、稳定性，这样才能保证结构安全以及使用功能。

　　1.2地震作用中产生的水平力是关键因素。水平力会使建筑物产生倾覆力矩,并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力。如果把建筑物看作一简单的竖向悬臂构件，构件中由竖向荷载产生的轴力与高度成正比;水平力作用产生的弯矩与高度的平方成正比;水平作用力产生的侧向位移与高度四次方成正比;对高度一定的建筑物而言,竖向荷载基本上是不变的,而水平方向上地震作用的数值大小往往会随着高层建筑结构动力特性不同而存在较大幅度的变化。

　　1.3要重视建筑结构的延性设计。高层建筑结构随着高度增加,显得更柔,在地震作用下变形较大。这就要求结构要有足够的变形能力,设计应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、强底层柱(墙)”的设计原则，尽可能设置多道抗震防线，主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度，使结构能吸收和消耗大量的地震能量，适当处理构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，应避免部份构件超强设计，造成结构的其他部位相对博弱。要有目的、有意识的控制博弱部位，使之有足构的变形能力又不使薄弱层发生转移。在结构构造上采取有利的加强措施,使得建筑结构具有足够的延性。

　　2、高层建筑的结构体系

　　2.1 框架—剪力墙体系

　　当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架—剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架—剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架—剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

　　2.2 剪力墙体系

　　当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架—剪力墙体系。

　　2.3 简体体系

　　凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体—框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，多应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

　　3、高层建筑抗震设计常见的问题

　　3.1缺乏岩土工程勘察资料或资料不全。有的在扩初设计阶段还缺建筑场地岩土工程的勘察资料，有的在扩初设计会审之后就直接进入了施工图设计，有的在规划设计或方案设计会审后就直接进入了施工图设计。无岩土工程勘察资料，设计缺少了必要的依据。

　　3.2结构的平面布置。外形不规则、不对称、凹凸变化尺度大、形心质心偏心大，同一结构单元内，结构平面形状和刚度不均匀不对称，平面长度过长等。

　　3.3抗震设防标准掌握不当。有一些项目擅自提高了设防标准，按照《建筑抗震设防分类标准(GB 50223-2008)》划分应属六度设防的，但设计中提高了一度按七度设防，提高了建筑抗震设防标准，将会增加工程投资;有的项目严格应按七度采取抗震措施的，但设计中又按六度设防，减低了抗震设防标准，不利抗震。

　　3.4平面布局的刚度不均。抗震设计要求建筑的平、立面布置宜规正、对称，建筑的质量分布和刚度变化宜均匀，否则应考虑其不利影响。但有的平面设计存在严重的不对称：一边进深大，一边进深小;一边设计大开间，一边为小房间;一边墙落地承重，一边又为柱承重。平面形状采用L、π形不规则平面等，造成了纵向刚度不均，而底层作为汽车库的住宅，一侧为进出车需要，取消全部外纵墙，另一侧不需进出车辆，因而墙直接落地，造成横向刚度不均。这些都对抗震极为不利。

　　3.5框架结构砌体填充墙抗震构造措施不到位。砌体外围护墙砌筑在框架柱外又没有设置抗震构造柱，框架间砌体填充墙高度长度超过规范规定要求又没有采取相应构造措施。

　　3.6结构抗震等级掌握不准。有的提高了，而有的又降低了，主要是对场地土类型、结构类型、建筑高度、设防烈度等因素综合评定不准造成。

　　4、短柱的正确判定

　　柱净高H与截面高度h之比H/h≤4为短柱，工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱，这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱净高与截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4来判定的主要依据是：①λ=M/Vh≤2;②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点，取M=0.5VH，则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，对于高层建筑，梁、柱线刚度比较小，特别是底部几层，由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小，反弯点的高度会比柱高的一半高得多，甚至不出现反弯点，此时不宜按H/h≤4来判定短柱，而应按短柱的力学定义——剪跨比λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。

　　框架柱的反弯点不在柱中点时，柱子上、下端截面的弯矩值大小就不一样，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一样的，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此时，应采用哪一个截面的剪跨比来判断框架柱是不是属于短柱呢?笔者认为，应该采用框架柱上、下端截面中剪跨比的较大值，即取λ=max(λt，λb)。一般情况下，在高层建筑的底部几层，框架柱的反弯点都偏上，即Mb>Mt。

　　在层高一定的情况下，为提高延性而降低轴压比则会导致柱截面增大，且轴压比越小截面越大;而截面增大导致剪跨比减小，又降低了构件的延性。因此，在高层特别是超高层建筑结构设计中，为满足规程对轴压比限值的要求，柱子的截面往往比较大，在结构底部常常形成短柱甚至超短柱。

　　5、改善短柱抗震性能的措施

　　5.1 使用复合螺旋箍筋 高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的，柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱，只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求，是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此，使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力，改善对砼的约束作用，能够达到改善短柱抗震性能的目的。

　　5.2 采用分体柱 由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。

　　5.3 采用钢管砼柱 钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4.6%以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。

　　6、结语

　　总的来说，建筑设计是建筑杭震设计的一个重要方面，建筑设计与建筑抗震设计有着密切关系。它对建筑抗震起着重要的基础作用。一个优良的建筑抗震设计，必须是在建筑设计与结构设计相互配合协作共同考虑抗震的设计基础上完成。为此，要充分重视建筑设计在建筑抗震设计中的重要性，在建筑抗震设计中更好地发挥建筑设计应有的作用。

　　参考文献:

　　[1] 包世华、方鄂华，《高层建筑结构设计》，清华大学出版社，2003。

　　[2] 赵西安，《钢筋混凝土高层建筑结构设计》，中国建筑出版社，2005。