淺談高層建筑抗震

　　導讀：在地震中，幾乎所有的建筑都倒塌了，相對于低層建筑而言，高層建筑破壞和倒塌的后果就更加嚴重。為保證高層結(jié)構(gòu)的抗震安全，達到安全和經(jīng)濟的統(tǒng)一，有必要對高層結(jié)構(gòu)的抗震設計、抗震結(jié)構(gòu)和抗震技術(shù)進行探討。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑，抗震設計，抗震結(jié)構(gòu)，抗震技術(shù)

　　2008年的汶川地震和2023年的玉樹地震對中國來說無不是沉重的打擊，不但造成巨大的經(jīng)濟損失，更心痛的是有那么的生命離開了我們，這不得不讓人們反思我們建筑的抗震設防能力。在地震中，幾乎所有的建筑都倒塌了，相對于低層建筑而言，高層建筑破壞和倒塌的后果就更加嚴重。近年來國內(nèi)國外高層、超高層建筑的高度不斷攀升，就在2023年正式開放的哈利法塔的高度達到了驚人的828米，而且建筑的體型越來越復雜，不規(guī)則結(jié)構(gòu)越來越多，這對于結(jié)構(gòu)的抗震都是十分不利的。為保證高層結(jié)構(gòu)的抗震安全，達到安全和經(jīng)濟的統(tǒng)一，有必要對高層結(jié)構(gòu)的抗震設計、抗震結(jié)構(gòu)和抗震技術(shù)進行探討。

　　1.地震導致建筑破壞的原因

　　根據(jù)地震經(jīng)驗，地震期間導致高層建筑破壞的直接原因可分為以下三種情況：

　　(1)地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂縫或錯位等地面變形，對其上部建筑的直接危害;

　　(2)地震引起的砂土液化、軟土震陷等地基失效，對上面建筑物所造成的破壞;

　　(3)建筑物在地面運動激發(fā)下產(chǎn)生劇烈震動過程中，因結(jié)構(gòu)強度不足、過大變形、連接破壞、構(gòu)件失穩(wěn)或整體傾覆而破壞;

　　2.建筑的抗震概念設計

　　所謂“建筑抗震概念設計”是指根據(jù)地震災害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設計原則和設計思想,依此進行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細部構(gòu)造的過程。

　　3.建筑抗震設計方法的發(fā)展過程

　　3.1、靜力理論階段

　　水平靜力抗震理論始創(chuàng)于意大利，發(fā)展于日本，1900年日本學者大森房吉提出“震度法”的概念。該理論認為：結(jié)構(gòu)物所收到的地震作用，可以簡化為作用于結(jié)構(gòu)的等效水平靜力，其大小等于結(jié)構(gòu)重力荷載乘以一個系數(shù)。

　　3.2、反應譜理論階段

　　我國及國際上多數(shù)國家抗震設計規(guī)范本質(zhì)上都采用了反應譜理論及結(jié)構(gòu)能力設計原則。其主要特點如下：

　　(1) 用規(guī)范規(guī)定的設計反應譜進行結(jié)構(gòu)線彈性分析。

　　(2) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力是根據(jù)設計反應譜所作的結(jié)構(gòu)線彈性計算通過荷載和地震作用效應組合后內(nèi)力進行設計。

　　(3) 在早期方案設計階段，結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)體型的規(guī)則性及結(jié)構(gòu)的整體性滿足規(guī)范的規(guī)定，以使結(jié)構(gòu)能可靠地發(fā)揮非彈性延性變形能力。

　　3.3、動力理論階段

　　1971年美國圣費南多地震的震害，使人們清楚地認識到“反應譜理論只說出了問題的一大半，而地震持時對結(jié)構(gòu)破壞程度的重要影響沒有得到考慮”，從而推動了采用地震加速度過程a(t)來計算結(jié)構(gòu)反應過程的動力法的研究。此一新理論不但考慮了地震的持時，還更近一步地考慮了地震過程中反應譜所不能概括的其他特性。

　　4.高層建筑結(jié)構(gòu)體系

　　設計地震區(qū)的高層建筑，在確定結(jié)構(gòu)體系時，除了要考慮前面所提到的材料用量、建筑內(nèi)部空間和使用的房屋高度等因素外，還需進一步考慮下列抗震設計準則：

　　(1)具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線;

　　(2)具備多道抗震防線，不會因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導致整個體系喪失抵抗側(cè)力或承受重力荷載的能力

　　(3)具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結(jié)構(gòu)體系遭遇地震時有足夠的防倒塌潛力;

　　(4)沿水平和豎向，結(jié)構(gòu)的剛度和強度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現(xiàn)局部削弱或突變形成薄弱環(huán)節(jié)，從而防止地震時出現(xiàn)過大的應力集中或塑性變形集中。

　　在確定建筑方案的同時，應綜合考慮房屋的重要性、設防烈度、場地條件、房屋高度、地基基礎(chǔ)以及材料供應和施工條件，并結(jié)合體系的經(jīng)濟、技術(shù)指標，選擇最合適的結(jié)構(gòu)體系。

　　5.建筑抗震措施或設計

　　5.1、錯開地震動卓越周期

　　一個場地的地面運動，一般均存在著一個破壞性最強的主振周期，如果建筑物的自振周期與這個卓越周期相等或相近，建筑物的破壞程度就會因共振而加重。地震動卓越周期又稱地震動主導周期。

　　從眾多的地震倒塌建筑物中可以看出，建筑周期與地震動卓越周期相接近，是引起建筑共振破壞的主要因素和直接原因。因此，在進行高層建筑設計時，首先要估計地震引起該建筑所在場地的地震動卓越周期;然后，在進行建筑方案設計時，通過改變房屋層數(shù)和結(jié)構(gòu)類型，盡量加大建筑物基本周期與地震動卓越周期的差距。

　　5.2、采取基礎(chǔ)隔震措施

　　傳統(tǒng)的抗震方法是依靠結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力，來耗散地震能量，使結(jié)構(gòu)免于倒塌，但由于是一種“被動防震”，就不免存在許多不足之處。地震對建筑的破壞作用，是由于地面運動激發(fā)起建筑的強烈振動所造成的，也就是說，破壞能量來自地面，通過基礎(chǔ)向上部結(jié)構(gòu)傳遞。人們總結(jié)地震經(jīng)驗后發(fā)現(xiàn)，地震時結(jié)構(gòu)底部的.有限滑動，能大幅度地減輕上部結(jié)構(gòu)的破壞程度�？萍颊撐摹�

　　基于可動概念的基礎(chǔ)隔震方案很多，主要有：(1)軟墊式隔震。在房屋底部設置若干個帶鉛芯的鋼板橡膠隔振裝置，使整個房屋坐落在軟墊層上，遭遇地震時，樓房底面與地面之間產(chǎn)生相對水平位移，房屋自振周期加長，主要變形都發(fā)生在軟墊塊處，上部結(jié)構(gòu)層間側(cè)移變得很小，從而保護結(jié)構(gòu)免遭破壞。(2)滑移式隔震。在房屋基礎(chǔ)底面處設置鋼珠、鋼球、石墨、砂粒等材料形成的滑移層或滾動層，使建筑物遇地震時在該處發(fā)生較大位移的滑動，達到隔震目的。(3)擺動式隔震。科技論文。擺動式隔震方式實質(zhì)上是柔性底層概念的改進和引伸。(4)懸吊式隔震。這一隔震方式的構(gòu)思是，將整個建筑懸吊在支架下面，避免地震的直接沖擊，從而大幅度較小建筑物所受到的地震慣力。

　　5.3、削減地震反應——提高結(jié)構(gòu)阻尼

　　為了提高結(jié)構(gòu)阻尼，可以在結(jié)構(gòu)上設置阻尼器，以吸收地震輸入的能量，減小結(jié)構(gòu)變形。臺北101大樓在87~92樓安裝了一個巨大的鋼球風阻尼器，是世界上目前最大的大樓風阻尼器，它的球體直徑5.5米，由四十一層12.5厘米厚鋼板結(jié)合為球形，重量660噸，可以有效減輕由于颶風和地震所引起的震動和側(cè)移。

　　為高層建筑提供附加阻尼的另一新途徑，是利用主體結(jié)構(gòu)與剛性掛板之間特殊裝置的非彈性性能和摩擦。采取這一措施后，可以使阻尼比僅為2%的抗彎鋼框架，有效粘滯阻尼比增加到8%或更多，從而使底部地震剪力和頂點側(cè)移降低50%。

　　此外，通過采用高延性構(gòu)件和附設耗能裝置也能有效削減地震反應。

　　6.高層建筑抗震技術(shù)發(fā)展展望

　　未來高層建筑的發(fā)展趨勢，體型將更趨復雜，結(jié)構(gòu)體系將更趨多樣化。出于對建筑藝術(shù)上的要求，高層建筑的體型將會更為復雜和多樣，許多高層建筑都是綜合性的和多用途的，因此對建筑和結(jié)構(gòu)必然提出新的更高的要求。從結(jié)構(gòu)體系上看，也決不會停留在原有的幾種形式上，而會更好地滿足功能和藝術(shù)上的需求，創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)體系。

　　參考文獻

　　[1]劉大海,楊翠如,鐘錫根.高層建筑抗震設計.中國建筑工業(yè)出版社.

　　[2]谷連營,肖國梁.高層建筑抗震技術(shù)的發(fā)展概況.山西建筑,2006.8(15)：50—51.

　　[3]王紅霞.論高層建筑抗震概念設計.山西建筑,2007,12(35)：74—75.