高層建筑抗震設(shè)計探討

1、高層建筑抗震設(shè)計探討    摘要：隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑不斷出現(xiàn)，由于近年地震頻發(fā)，建筑物的抗震設(shè)計越來越受到重視。文章介紹了高層建筑抗震設(shè)計特點，分析了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計以及高層建筑抗震計算方法探討，提出了高層建筑抗震設(shè)計要點。最后對結(jié)構(gòu)隔震與減震設(shè)計進行淺析。    關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計     引言我國是一個地震多發(fā)的國家。隨著汶川地震的發(fā)生，抗震設(shè)計分析顯得更為重要。因此，高層建筑的抗震設(shè)計必須從客觀、科學(xué)的角度全面考慮，這就要求設(shè)計人員必須認(rèn)真的學(xué)

2、習(xí)新規(guī)范，有效地把握住工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，讓結(jié)構(gòu)更安全，更合理。1. 高層建筑抗震設(shè)計特點1.1控制建筑物的側(cè)移是重要的指標(biāo)。高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵決定因素。在地震作用下,建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力,使建筑物產(chǎn)生明顯的側(cè)移,隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的不斷增加,結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移快速增大,結(jié)構(gòu)的變形也隨之增大，側(cè)向位移過大將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，附加偏心力超過一定限值時，將會引取整個結(jié)構(gòu)的倒塌，因此必須將側(cè)移限制在一定的范圍之內(nèi),也就是結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的強度、剛度、穩(wěn)定性，這樣才能保證結(jié)構(gòu)安全以及使用功能。1.2地震作用中產(chǎn)生的水平力是關(guān)鍵因素。水平力會使建筑物產(chǎn)生傾覆力矩,并且在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)

3、件中引起很大的軸力。如果把建筑物看作一簡單的豎向懸臂構(gòu)件，構(gòu)件中由豎向荷載產(chǎn)生的軸力與高度成正比；水平力作用產(chǎn)生的彎矩與高度的平方成正比；水平作用力產(chǎn)生的側(cè)向位移與高度四次方成正比；對高度一定的建筑物而言,豎向荷載基本上是不變的,而水平方向上地震作用的數(shù)值大小往往會隨著高層建筑結(jié)構(gòu)動力特性不同而存在較大幅度的變化。1.3要重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計。高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加,顯得更柔,在地震作用下變形較大。這就要求結(jié)構(gòu)要有足夠的變形能力,設(shè)計應(yīng)遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點、強底層柱（墻）”的設(shè)計原則，盡可能設(shè)置多道抗震防線，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)?shù)膭偠?，使結(jié)構(gòu)能吸收和消耗大量的地震能

4、量，適當(dāng)處理構(gòu)件的強弱關(guān)系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，應(yīng)避免部份構(gòu)件超強設(shè)計，造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對博弱。要有目的、有意識的控制博弱部位，使之有足構(gòu)的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取有利的加強措施,使得建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。2. 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計  目前規(guī)范給出的計算方法還是一種半經(jīng)驗半理論的方法，要進行精確的抗震計算還有一定的困難，因此人們在工程實踐中提出了“建筑抗震概念設(shè)計”。抗震概念設(shè)計就是以工程概念為依據(jù)，從有利于提高結(jié)構(gòu)抗震力的概念上，用符合工程客觀規(guī)律和本質(zhì)的方法對所設(shè)計的對象進行宏觀的控制。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)該是綜合概

5、念設(shè)計、計算和結(jié)構(gòu)措施等完整的一系列設(shè)計。概念設(shè)計強調(diào)在工程設(shè)計應(yīng)把握好場地選擇、能量輸入、房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等方面，從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和構(gòu)造措施，使設(shè)計出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。抗震概念設(shè)計的基本要點有：2.1選擇有利于抗震的場地和地基高層建筑設(shè)計中要選擇對建筑抗震有利的地段，避開對建筑抗震不利的地段。當(dāng)無法避開時，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?，不?yīng)在危險地段上建造高層建筑。此外，設(shè)計前應(yīng)估算建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，并與場地卓越周期錯開，防止地震時結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象的破壞。2.2選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系高層建筑結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計時，應(yīng)

6、選擇合理的結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計的結(jié)構(gòu)既要考慮其抗震安全性，也要盡可能的經(jīng)濟。結(jié)構(gòu)應(yīng)布置多道抗震防線，避免部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力。此外，結(jié)構(gòu)應(yīng)擁有良好的整體性和變形能力，使結(jié)構(gòu)的強度、剛度和變形能力三者達到協(xié)調(diào)。3. 高層建筑抗震計算方法當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地面上原來靜止的結(jié)構(gòu)物因地面運動而發(fā)生強迫振動。因此，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)是一種動力反應(yīng)，其大小不但與地面運動有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)的動力特性有關(guān)，一般需要采用結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法分析才能得到。目前常用的方法有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法。3.1時程分析法時程分析法14J是隨著電子計算機技術(shù)和試驗技術(shù)的發(fā)發(fā)展起來的一種計

7、算方法。該方法通過選擇一定的地震波接輸入到所設(shè)計的結(jié)構(gòu)，然后對結(jié)構(gòu)的運動微分方程進值積分，求得結(jié)構(gòu)在整個地震時程范圍內(nèi)的地震反應(yīng)。分析法屬于一種完全動力法，計算量大，但計算精度很高分為振型分解法和逐步積分法兩種，而逐步積分法是又線形加速度法、紐馬克法等多種求解方式。3.2底部剪力法底部剪力法是一種擬靜力法，把地震作用當(dāng)作等效靜力荷載來計算結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)，其計算量比較小，但由于忽略了高階振型的影響，且對第一振型也作了簡化，因此計算精度稍差。3.3振型分解反應(yīng)譜法振塑分解反應(yīng)譜法是利用振型分解原理和反應(yīng)譜理論進行結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)分析，它屬于一種擬動力法，計算量稍大，但計算精度較高，計算誤差主要來

8、自于振型組合時關(guān)于地震動隨機特性的假定4. 高層建筑抗震設(shè)計要點4.1結(jié)構(gòu)規(guī)則性建筑物尤其是高層建筑物設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計要求，對建筑進行合理的布置，大量地震災(zāi)害表明，平立面簡單且對稱的結(jié)構(gòu)類型建筑物在地震時具有較好的抗震性能，因為該種結(jié)構(gòu)建筑容易估計出其地震反映，易于采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施并且進行細部處理。建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件布置、承載力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面對稱均勻，體型簡單，結(jié)構(gòu)剛度，質(zhì)量沿建筑物豎向變化均勻，同時應(yīng)保證建筑物有足夠的抗扭轉(zhuǎn)剛度以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響，并應(yīng)盡量滿足建筑物在豎向上重力荷載受力均勻，以盡量減小結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和豎向構(gòu)件

9、間差異變形對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。4.2層間位移限制高層建筑都具有較大的高寬比，其在風(fēng)力或地震作用下往往能夠產(chǎn)生較大的層間位移，甚至?xí)^結(jié)構(gòu)的位移限值。而國內(nèi)普遍認(rèn)為該位移限值大小與結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系甚至裝修標(biāo)準(zhǔn)以及側(cè)向荷載等諸多因素有關(guān)。因此在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)建筑物的實際情況以及所處的地理位置     進行設(shè)計，既要滿足其具有足夠的剛度又要避免結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力，穩(wěn)定性以及正常使用功能等。4.3控制地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大量事實表明，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的平面布置等不規(guī)則、不對稱導(dǎo)致建筑層間水平荷載合力中心與建筑結(jié)構(gòu)剛度

10、中心不重合，在地震發(fā)生時建筑結(jié)構(gòu)除發(fā)生水平位移外還易發(fā)生扭轉(zhuǎn)性破壞甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分重視扭轉(zhuǎn)的影響。由于建筑物在扭轉(zhuǎn)作用下各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間變形不同，其中距剛心較遠的結(jié)構(gòu)邊緣的抗側(cè)力單元的層間側(cè)移最大；同時在上下剛度不均勻變化的結(jié)構(gòu)中，各層的剛度中心未能在同一軸線上，甚至?xí)a(chǎn)生較大差距，以上情況都會使各層結(jié)構(gòu)的偏心距和扭矩發(fā)生改變，因此，在設(shè)計過程中應(yīng)對各層的扭轉(zhuǎn)修正系數(shù)分別計算。計算時應(yīng)主要控制周期比、位移比兩個重要指標(biāo)，即當(dāng)兩個控制參數(shù)的計算結(jié)果不能滿足要求時則必須對其進行調(diào)整。當(dāng)周期比不滿足要求時可采用加大抗側(cè)力構(gòu)件截面或增加抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量的方法，并應(yīng)將抗側(cè)

11、力構(gòu)件盡可能的均勻布置在建筑四周，以減小剛度中心與質(zhì)量中心的相對偏心，若調(diào)整構(gòu)件剛度不能滿足效果時則應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件布置，以增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度。具體做法為當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度富余量較小可采取均衡加強結(jié)構(gòu)外圍剛度，富余量較大則可采取在加強外圍剛度的同時均衡的消弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部中心抗側(cè)力構(gòu)件剛度的方法進行處理。當(dāng)結(jié)構(gòu)位移比不滿足要求時則一般采取增加最大位移處構(gòu)件剛度減小最小處位移構(gòu)件剛度、在最大位移處局部加剪力墻、增加框架部分側(cè)向剛度和設(shè)置防震縫將不規(guī)則平面重新劃分為相對規(guī)則平面的方法進行處理。4.4減小地震能量輸入具有良好抗震性能的高層建筑結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)的變形能力滿足在預(yù)期的地震作用下的變形要求，因此在設(shè)計過程中除

12、了控制構(gòu)件的承載力外還應(yīng)控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移極限值或位移延性比，然后根據(jù)構(gòu)件變形與結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系來確定構(gòu)件的變形值，同時根據(jù)截面達到的應(yīng)變大小及分布來確定構(gòu)件的構(gòu)造要求，選擇堅硬的場地土來建造高層建筑等方法來減小地震能量的輸入。4.5減輕結(jié)構(gòu)自重對于同樣的地基條件下進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計若減輕結(jié)構(gòu)自重則可相應(yīng)增加層數(shù)或減少地基處理造價，尤其是在軟土基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計這一作用更為明顯，同時由于地震效應(yīng)與建筑質(zhì)量成正比，而高層建筑由于其高度大重心高等特點，在地震作用時其傾覆力矩也隨之增加，因此，為了盡量減小其傾覆力矩應(yīng)對高層建筑物的填充墻及隔墻盡量采用輕質(zhì)材料以減輕結(jié)構(gòu)自重。5. 結(jié)構(gòu)隔震與消

13、震設(shè)計為了提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，隔震和消能減震等抗震技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計使用功能有特殊要求的建筑，耗能元件及其體系可錯開地震動卓越周期，從而防止共振破壞，減輕地震振動效應(yīng)以及風(fēng)振。隔震即隔離地震，即在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層隔震層，使房屋與基礎(chǔ)隔離開來，隔離地面運動能量向建筑物的傳遞，以減小房屋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，實現(xiàn)地震時建筑物只發(fā)生較輕微運動和變形，從而保證建筑物的安全。消能減震則是通過在建筑物中設(shè)置消能部件，使地震輸入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗，一部分由結(jié)構(gòu)的動能和變形能承擔(dān)，以此達到減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。隨著社會的不斷發(fā)展，對各種建筑物和構(gòu)筑物的抗震減震要求越來越高，使“延性結(jié)構(gòu)體系”的應(yīng)用日益局限，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系和理論越來越難以滿足要求。而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統(tǒng)抗震體系所難以比擬的優(yōu)越性，在未來的建筑結(jié)構(gòu)中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。阻尼器在隔震與消震設(shè)計技術(shù)中應(yīng)用而生，阻尼器的性態(tài)通過在最大地震和最大風(fēng)荷載下的試驗得到了驗證。同時提高結(jié)構(gòu)阻尼，采用高延性構(gòu)件，更能有效的夠提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減輕地震作用。6. 結(jié)束語  地震作用影響因素極為復(fù)雜，它是一種隨機、尚不能準(zhǔn)確預(yù)見、計算的外部作用。因此，我們設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)正確的應(yīng)用規(guī)