高层建筑桩基抗震分析与应用

【摘要】近年来，我国高层建筑的数量日益增多，建筑需求的多样化促使建筑设计不断翻新，各种体型复杂、内部空间多变的復杂高层建筑大量涌现。研究高层建筑抗震设计问题，是当前面临的一个重要问题。笔者根据多年的工作经验，主要针对高层建筑桩基抗震分析以及应用进行讨论。

【关键词】高层建筑；桩基结构；抗震分析；应用

在高层建筑结构中，抗震设计占据了极为重要的位置，而高层建筑结构又在抗震方面尤为重视。高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的随着经济水平的增反和高层结构的增多，结构抗震分析和设计已经变得越来越重要。

1、高层建筑抗震设计的重要性

地震是一种随机振动，有难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到。在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效等多种因素，同时也存在着不准确性。因此，工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，而必须立足于“概念设计”。概念设计是指设计人员从结构的宏观整体出发，用结构系统的观点，着眼于结构整体反应，正确地解决总体方案、材料使用、分析计算、截面设计和细部构造等问题，力求得到最为经济、合理的结构设计方案以达到合理抗震设计的目地。结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果仅集中在少数薄弱部位，必会导致结构过早破坏，目前各种抗震设计方法的前提之一就是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震作用进行结构计算、构件截面设计并辅以相应的构造措施，必要时采用弹性时程分析法进行补充计算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。

2、高层建筑结构抗震设计特点

桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的基础类型。随着经济发展，城市中各类高层建筑拔地而起，作为高层的基础部分往往在整个建筑物投资中占据了很大的比例。

2.1水平荷载和侧移因素

高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，楼面使用和楼面自重等垂直荷载主要使结构产生轴向力，并且与建筑物高度大致为线性关系，水平荷载使结构产生弯矩，并且水平荷载可以来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从变形看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，因此水平荷载是结构设计的控制因素。

2.2结构变形不容忽视

建筑整体结构变形程度对于整个建筑的抗震能力具有直接的影响。在发生地震的过程当中，建筑在水平地震力的作用下出现侧移，从而导致建筑结构发生变形，导致破坏的产生。因此应该充分的考察高层建筑的结构类型，然后有针对性的采取相应的措施来减少建筑机构在地震力作用下出现的变形。在对高层建筑结构的损坏程度进行评估的过程当中，间层侧移角度是一个十分重要的指标，而国家对此也进行了相应的规定。因此应该采取相关的措施来对结构侧移情况进行控制，比较常见的方法有：减小框架的柱距和梁距，采用弯-剪双重抗侧力体系，设置刚臂，竖向支撑的交错布置，变平面构件为立体构件，围护结构参与抗震，倾斜立面的利用，扭转体型的应用，双曲线圆筒的应用，加大房屋等有效宽度。

2.3抗侧力体系的优化

对一般性构造的高楼，刚比柔好，采用刚性结构方案的高楼，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时的结构变形小，隔墙，围护墙等非结构部件将得到保护，破坏也会减轻。提高结构的超静定次数，在地震时能够出现的塑性铰就多，能耗散的地震能量也就越多，结构就愈能经受住较强地震而不倒塌。设计结构时遵循强节弱杆、强柱弱梁、强剪弱弯，强压弱拉的原则。

3、高层建筑桩基抗震技术所存在的问题

在预报地震相对无法实现的情况下，高层建筑采取必要的抗震设防措施，保证建筑物可以做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”，便可以有效地减少地震造成的损失。

3.1高层建筑设计高度过高

随着社会经济建设水平的不断发展，对于修建的施工技能水平也有所推动，而对于有关的修建构造中科学技能而言，可以依照当时国内对于高层修建中的构造技能有关规定而进行，针对必定的修建构造形式，在高层修建中构成一个对比适宜的高度水平。可是就当时在修建高度方面所构成的问题都是由于修建高度方面所构成的，实际施工进程之中，有一些比较高的修建并没有契合修建高度需求，他们的高度远远超过了合适的高度数值，一旦发作在修建物高度上的有关问题，就可能会有其他方面中的许多问题发作，超出许多相应规范需求， 而资料的延伸功能方面也就彻底发作变化了。

3.2高层建筑桩基抗震材料选择不当

对于材料而言，地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比。一般说在相同条件下，质量大，地震作用就大，震害程度就大，质量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑物的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙以及屋面构件中，广泛采用多孔砖、硅酸盐砌块、陶粒混凝土、加气混凝土板、空心塑料板材等轻质材料，将能显著改善建筑物的抗震性能。高层建筑的桩基础关系着建筑本身的质量安全，如果不能选用合适的材料进行桩基础建造，那么高层建筑的整体抗震性能会大打折扣。现如今一些建筑商在施工的过程中虽然使用了桩基础作为地基，但他们在选取桩基础材料的过程中并没有选取钢筋混凝土，而是选取了普通的钢柱或木柱。这两种材料与钢筋混凝土相比缺乏足够的强度，而且在实际施工的过程中操作难度也较大，如果要想使钢柱和木柱达到相同的抗震效果，就要使用更多的材料，而一些厂商为了利益往往不会这样做，这就导致了高层建筑抗震效果的减弱，危害巨大。只有有效地解决高层建筑桩基抗震材料选择不当的问题，才能把危害和隐患降低到最小。

3.3高层建筑桩基设计承载能力无法满足实际需求

最后一个问题就是高层建筑桩基的设计承载能力无法满足实际需求。产生这个问题的原因有兩点，第一点是在施工建造前的实地勘察阶段没有很好地对施工区域的地质情况进行调查评估，导致设计桩基承载能力较小，不能满足实际需要。另外一点是因为施工区域的土壤情况比较复杂，在建造完成之后由于土壤中的水分较大而导致地层不牢固，使桩基的承载能力下降。那么解决这两个问题的方法就是，在施工之前对施工区域进行非常详细的地质调查，当然要包括土壤和地层方面的调查，只有这样才能保证高层建筑具有良好的抗震性能。

3.4高层建筑轴压比问题

在当前的高层建筑中，为了达到控制轴压比的目地而使得柱的截面尺寸偏大，而控制轴压比是为了让柱在大偏压的情况，避免钢筋在没有达到屈服极限时混凝土遭到破坏，建筑结构的延性与柱的塑性变形能力关联很大，柱的塑性变形能力越大，则建筑结构的延性就越好，一旦发生地震，吸收和耗散的地震能力少，则建筑结构就很容易遭到破坏。如果梁的延性比较好，那么柱达到屈服极限的可能性也会相应降低，而轴压比的限制也可以相应的放松。当前有一些学者认为在现行抗震条件下最后采用比较高的轴压比，实际上，在轴压比稍微增大的情况下，柱断面的大小变化不会很明显。

4、高层建筑桩基抗震分析与应用

我国是一个地震灾害比较频繁的国家，对于高层建筑来说，一旦遭遇地震，往往会遭受巨大的损失。地震是一种随机振动， 建筑结构设计人员为防止、减少地震给建筑造成的危害， 就需要分析研究建筑抗震问题不断总结工程经验，妥善处理这一工程问题。

4.1底部剪力分析

底部剪力法是高层楼宇抗震设计中常用的抗震计算简化方法，是针对规则的建筑结构体水平方向地震作用效果进行分析的简化方法。底部剪力法在进行抗震分析时是按照弹性地震反应谱理论为基础，即建筑结构底部在地震过程中所承受的总地震剪力与等效单质点水平地震作用力是相等的。因此，在进行建筑钢结构体抗震性能计算分析时，可以利用等效单质点分析模型，确定整个高层楼宇建筑抗震结构体的总水平地震作用力及其沿建筑高度的分布和变化性。利用底部剪力法进行高层楼宇建筑抗震计算分析时，将各层的重力荷载代表值集中于该层楼盖处，并在简化计算时楼盖处每个主轴方向可以仅考虑一个自由度进行抗震计算。

4.2晃动应力与桩顶设计

晃动应力是当地震发生时，地层运动造成了桩顶运动而产生的晃动应力，晃动应力会对桩顶结构造成巨大的载荷，很容易破坏桩顶的结构，使得的高层建筑失去桩基的支撑而发生灾害。针对晃动应力的破坏性，在设计桩基的过程中，可以在柔性桩基的基础上，对桩顶采取加强型桩顶设计，使得的桩顶能够承受较大的弯矩与剪力，不至于晃动应力直接破坏桩顶。加强桩基的顶部结构，首先要分析桩基顶部受到的晃动应力，当发生地震时，地层运动会使得的桩基受到纵向的约束力，如果把桩基本身看作刚体的话，受到一个较大的纵向约束力，会使得桩基的产生径向形变，从而造成桩基的顶部增高，对桩顶造成破坏。因此，对于桩基顶部的加强，可以使用的振动器抽管对桩基顶部灌注混凝土，然后按照桩基的大小，采用4cm管壁厚度的钢管再次加固，从而使得整个结构材料具有较强的材料，能够充分应对晃动应力所造成的破坏。晃动应力是对搞成建筑桩基抗震能力威胁较大的因素，在建筑高层建筑时必须考虑到晃动应力的破坏性，对桩基顶部采取必要的抗震材料进行加固。

4.3弹性分析及非线性分析

振型分解反应谱法和时程分析法是高层建筑常用的两种弹性分析方法。弹性分析适用于每个结构构件的需求都小于它的名义强度。弹性分析通常用于"正常使用水准评价"。 使用反应谱法分析时，必须有足够多的振型参与，以便至少让地震动沿每个主轴输入建筑物的总质量的90%参与进来。反应时程分析时，构件应验算保证在分析的每个时间步长内，从未乘系数的重力荷载和地震荷载效应获得的需求都小于名义抗力。在一个时间步长内对于一个给定的作用计算名义抗力时应考虑同时存在的其它作用。

反应谱法不是完全的动力法，地震对结构的作用是一个随时间变化的过程，反应谱法求出的只是变化过程中的最大值，同时只能用于线弹性结构分析，不适用于非线性结构分析。地震作用产生的强烈响应，往往会使结构进入弹塑性状态，需要采用非线性分析，对于倒塌水准一般是非线性分析。非线性分析对于倒塌水准评价是必要的。分析中应考虑二阶效应，不需要考虑偶然性扭转。采用非线性时程分析时，在地震地面运动作用前就必须先行引入建筑物承重结构在重力荷载下的初始应力状态。在分析的每个时间步长内，应通过验算保证构件从不乘系数的重力效应和地震荷载效应得到的需求均小于对应的抗力。延性作用的抗力用构件的变形表达；非延性作用的抗力用力的形式表达。不论哪一类作用，在给定时间步长内对一个给定作用（例如弯曲）计算抗力时，都应考虑在该时间步长内同时存在的作用（例如轴力与剪力）。

4.4抗震设计中的应注意的问题

对于高层建筑抗震结构的设计，如今仍存在较多的问题以及难点。要最大程度上做好高层建筑抗震结构的设计，需要做到以下几点：

a.为了提高结构的连续性以及稳定性，在设计中应该合理布置抗测力构件。在设计时，通过改变抗侧力构件的位置，形成水平方向上的应力分布系统，同时加强竖直方向上的测力结构性能，形成一套应力分布体系，保证能够有效的降低建筑由于水平方向的对称在地震中的破坏程度。

b.通常情况下，地震在同一区域造成的破坏程度具有差异性，即同一区域的建筑房屋在地震灾害的破坏下，有的建筑物破坏程度不是很严重，而有些建筑物破坏程度极为严重，造成这一问题的主要原因除了同建筑物体自己的建筑质量有关外，还同建筑场地和建筑规划有着必然的联系；如建筑物体在建设过程中建筑场地刚好处于地震震中外，地震的破坏能力最强，使得这一区域的建筑物体受破坏程度最为严重。所以在建筑结构工程抗震设计时要针对各个区域以往发生地震震级的大小及地震发生的区域进行设计，规划条件允许的情况下尽可能在选择建筑场地时候避开地震频发区域。

结语：

随着我国经济建设的迅猛发展，高层建筑越来越复杂化，这就要求建筑过程中必须做好高层建筑的抗震设计.地震作用影响因素复杂，目前尚没有精确的抗震计算方法，规范给出的计算方法也是半经验半理论的计算，但在楼层的设计中，对于高层建筑的抗震性能设计，已经引起人们的高度重视，采用了各种措施来提高高层建筑的抗震性能。

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