浅析高层建筑震害及设计对策

浅析高层建筑震害及设计对策
摘要：社会生产的不断发展以及人类生活的需要，发展现代高层建筑的步伐也随之加快。

而在高层的设计中，对于抗震的设计又是其中不可或缺的一项。

本文浅析高层建筑的震害特征，从而探索出解决这些高层建筑震害的设计对策。

关键词：高层建筑；震害；设计对策
Abstract: the development of social production and the need of human life, the development of the modern high-rise building with the pace of the accelerated. And at the top design, seismic design is for one of the indispensable one. This paper analyses the characteristics of high-rise building damage, so as to explore the damage of solving these high-rise building design countermeasures.
Keywords: high building; Earthquake damage; Design countermeasures 地震对建筑物的破坏是不言而喻的，而高层建筑遭到地震破坏会比一般建筑带来更大的生命和经济上的损失，因此对高层建筑抗震设计的问题应慎重对待。

本文浅析高层建筑的震害特征，从而探索出解决这些高层建筑震害的设计对策。

一、震害及其分析
1、结构布置不当引起的震害
①平面刚度分布不均匀、不对称产生的震害
建筑平面复杂、结构刚度不对称，地震时容易引起扭转和局部应力集中，尤其在凹角处。

若未采取相应的加强措施，则将会造成严重震害。

②竖向刚度突变产生的震害
结构刚度沿竖向分布有局部削弱或突然变化时，可能使结构在刚度突然变小的楼层产生过大变形甚至倒塌。

若未对可能出现的薄弱部位采取相应的提高抗震能力的措施，就可能产生严重的震害。

2、场地影响产生的震害
①地基失效引起上部结构破坏
1999年9月21日台湾大地震中也有很多因地基液化而导致建筑物倾斜的例子。

尽管地基失效造成的上部结构破坏仅占结构物破坏很少的一部分，但这类破坏的修复、加固是很困难的，有时甚至是不可能的。

这意味着必须重视对地基基础的抗震设计。

②地震地面运动的卓越周期长，会加重长周期高层建筑的震害；地面运动在土中传播时，短周期分量衰减较快，而长周期分量衰减较慢，能传递到较远的地方。

因此，在离震中较远的软土地基上，地震地面运动的卓越周期长，对自振周期较长的高层建筑，尤其框架结构易产生共振，加重震害。

3、框架的震害
框架在地震中常因强度和延性不足而发生破坏。

一般情况下，柱的震害重于梁；角柱的震害重于内柱；短柱的震害重于一般柱；柱上端的震害重于下端。

柱子同时承受竖向的轴力和两个主轴方向的弯矩与剪力的作用，受力复杂；而柱子的地位又最重要，一旦柱子破坏，整幢房屋就有倒塌的危险。

在钢筋混凝土框架的抗震设计中，提倡“强柱弱梁”就是从大量的震害中得到的教训。

①框架柱的震害
柱端弯剪破坏。

上、下柱端出现水平裂缝和斜裂缝，有时也有交叉斜裂缝，混凝土局部压碎，梁端形成塑性铰。

严重者，混凝土剥落，箍筋外鼓崩断，柱筋弯曲。

柱身剪切破坏。

多出现交叉斜裂缝或S形裂缝，箍筋屈服崩断。

角柱破坏。

由于房屋不可避免地要发生扭转，因此角柱所受剪力最大，同时角柱又受双向弯矩作用，而其约束又较其他柱小，故角柱的震害较内柱重。

有的上、下柱身错动，钢筋由柱内拔出。

短柱破坏。

当有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些连系梁时，容易形成H/b<4(H为柱高，b为柱截面的短边边长)的短柱。

一方面短柱能吸收较大的地震剪力，另一方面短柱常发生剪切破坏，形成交叉裂缝乃至脆断。

②框架梁的震害
震害多在梁端。

在地震作用下，梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉斜裂缝。

在梁负弯矩钢筋切断处，由于抗弯能力削弱也容易产生裂缝，造成梁剪切破坏。

有时，由于设计时未考虑水平地震的往复作用在梁端产生的附加正负弯矩，使梁抗弯强度不足而产生正截面破坏。

另外，梁主筋在节点内锚固不足而在反复荷载作用下被拔出的震害现象也比较多。

梁的破坏后果常常不如柱的破坏严重，即使梁破坏也只造成局部损失，一般不会引起整幢房屋的倒塌。

但梁的剪切破坏和锚固破坏都是脆性破坏，应特别注意防止。

③框架梁、柱节点的震害
在强震作用下，框架梁、柱节点核心区破坏的震害实例较多，其主要表现为：
节点核心抗剪强度不足引起的破坏。

破坏时，核心区产生斜向对角的通长裂缝，节点区内的箍筋屈服、外鼓甚至崩断。

当节点区剪压比较大时，箍筋可能尚未屈服，而是混凝土被剪压、酥碎成块而发生破坏。

由于构造措施不当而引起的破坏常表现为节点箍筋过稀而产生的脆性破坏，或由于节点核心区的钢筋过密而影响混凝土浇筑质量引起的破坏。

另外，由于梁柱主筋通过节点时搭接不合理，使结构的连续性难以保证而引起的震害也时有发生。

4、填充墙的震害
框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。

端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重。

烈度较高时墙体容易倒塌。

由于框架变形属剪切型，下部层间位移较大，填充墙在房屋中下部几层震害严重；框架-抗震墙结构的变形接近弯曲型，上部层间位移较大，故填充墙在房屋上部几层震害严重。

填充墙破坏的主要原因是：墙体抗拉、抗剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，因此在往复变形时墙体易发生剪切破坏。

5、抗震墙的震害
相对于框架体系而言，框架-抗震墙体系、抗震墙体系房屋震害较轻，特别有利于保护填充墙和建筑装修免遭破坏。

框支抗震墙体系，相对柔弱的底层，震害十分严重。

抗震墙的震害主要表现在墙肢之间的连梁上产生的剪切破坏。

这主要是由于连梁跨度小、高度大形成深梁，剪跨比小因而剪切效应十分明显。

在反复荷载作用下形成X形剪切裂缝，而其他部位完好。

抗震墙连梁的破坏属脆性破坏，在设计中如果不能保证梁的强度和延性以避免此类破坏，则对结构抗震是十分不利的。

二、高层抗震设计相关对策
1、在高层建筑中，结构体系与材料优选是一个很重要的问题。

在条件好的地方，为了提高抗震性能、降低柱断面尺寸，应尽量选用钢管混凝土（柱）结
构、钢骨混凝土结构、钢结构和材料。

超过一定高度范围时，为了减小风振，不易选用较柔且质量小的钢结构，应首选钢管（钢骨）混凝土、混凝土材料。

2、对高层建筑结构的动力响应问题，依据状态空间理论与结构动力方程，引入速度与位移作为状态变量，进而导出状态方程，建立迭代计算格式。

工程实例验算发现，这种方法的精度较高，尤其是在多自由度体系的多输入与多输出等问题，具有较高的效率。

3、对抗震模糊可靠度问题，采用材料参数随机性进行分析，这样以结构整体性能作为出发点，对材料参数变异性进行综合考虑，能有效改变以前在此问题的研究上只将荷载的不确定性作为主要考虑点却忽视其它一些不确定因素的弊端，有效改变地震烈度等级界限模糊性和随机性对结构抗震可靠度的影响。

4、短柱抗震性能的改善措施问题上，当柱确定为短柱后，我们可以通过以下有效措施，尽量减小短柱的截面尺寸，提高其承载力，提高其延性，使其抗震性能得到改善。

第一，尽可能使用复合螺旋箍筋。

对于高层建筑框架柱，其抗剪能力必须满足“强剪弱弯”和剪压比限值的要求，其柱端抗弯承载力则要满足“强柱弱梁”的要求。

为避免短柱发生剪切型号破坏问题，必须要求其符合“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的要求，而复合螺旋箍筋的使用则能达到改善其抗震的要求。

使柱子抗剪承载力得到提高对砼约束作用得到改善。

第二，使用分体柱，短柱的抗剪承载力比抗弯承载力比要小很多，在地震作用下短柱常由于剪坏而失效，不能使抗弯强度得到充分发挥。

所以，我们可以将抗弯强度进行人为削弱，使柱子抗弯强度略低于或相应于抗剪强度，这样柱子先达到抗弯强度后出现延性的破坏状态。

第三，使用钢管砼柱。

作为套箍砼的一个特殊形式，钢管砼内部的砼在受到钢管侧向约束后呈现出的三向受压状态，会使砼的极限压和抗压强度得到大幅度提高，显著改善砼尤其是高强砼的延性。

四、结束语
高层抗震设计的重要技术政策之一就是安全与经济的关系，从长远角度看，从我国高层抗震设计的现状及国际高层抗震设计未来的发展趋势为着眼点，开发一种合理的实用可行的二或三步设防的抗震设计方法，是一件非常重要而且有意义的事情。

参考文献：
[1]王永超，高层建筑抗震设计要点分析[J],城市建设理论研究，2012.
[2]王红焱，论高层建筑抗震设计及加固措施[J],山西建筑，2010.。