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高层建筑结构抗震设计与分析

关于本文的内容介绍
  摘 要:建筑设计为了追求多功能、多变的使用空间及丰富的立面设计效果,常采用较为复杂的高层建筑结构体系,从而使高层建筑抗震工作成为结构设计的重点。本文分析和探讨了现行高层建筑结构抗震分析和设计中应注意的一些问题,并采取必要的抗震措施,给出了高层建筑抗震设计中与工程设计实践和研究工作方向有关的参考。

  随着经济的发展及社会需求的多样性,建筑的高度越来越高,体型变得更加复杂,抗震设计也变得愈加困难。从20世纪最初提出简单的抗震设计思想,到目前国际上普遍认可的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计理念,再到基于性能的抗震设计思想,结构抗震设计经过两次质的飞跃。我国是一个地处多地震带国家,东邻太平洋地震带,南接欧亚地震带,地震分布较为广泛,地震活动频度高、震级大,是世界上遭受地震灾害较为严重的国家之一。一次大地震可能在不到一分钟时间内毁灭城市的一部分甚至整座城市,导致重大的经济损失和人员伤亡,如1976年7.6级的唐山大地震,2008年8.0级的汶川大地震以及2011年的日本9.0级大地震。由此可见,建筑物的抗震设防问题,是处于地震设防区域城市建设发展中所面临的一个重要课题。

  1 地震作用下高层建筑结构的破坏特点

  近几十年国内外发生的多次大地震资料中可以得出,在静荷载下受力合理的结构,在地震作用下就呈现出受力不合理而破坏,这是因为在地震作用下建筑物的动力反应有其特殊性,主要表现在以下几个方面。

  1 . 1 地基方面

  (1)在具有较厚软弱冲积土层场地 ,高层建筑的破坏率显著增高;(2)地基土液化导致地基不均匀沉降,从而引起上部结构损坏或整体倾斜;(3)建造在不利或危险地段的房屋建筑,因地基破坏导致房屋损坏。(4)当建筑结构的基本周期与场地自振周期相近时,因共振效应破坏程度将加重。

  1 . 2 结构体系方面

  (1)采用“填墙框架”的房屋结构 ,钢筋混凝土框架结构平面内柱上端易发生剪切破坏,外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切型破坏;(2)采用框架—抗震墙体系的房屋结构,破坏程度较轻;(3)采用“底框结构”体系的房屋,刚度柔弱的底层破坏程度十分严重;采用“填墙框架”体系的房屋,当底层为敞开式框架间未砌砖墙,底层同样遭到严重破坏;(4)采用钢筋混凝土板、柱体系结构的建筑,因楼板冲切或因楼层侧移过大、柱脚破坏,各层楼板坠落重叠在地面。

  1 . 3 刚度分布方面

  (1)矩形平面布置的建筑结构 ,电梯井等抗侧力构件的布置当存在偏心时,因发生扭转振动而使震害加重;(2)采用三角形、L形等不对称平面的建筑结构,同样在地震作用因发生扭转振动而使震害加重。

  1 . 4 构件形式方面

  (1)在框架结构中 ,通常柱的破坏程度重于梁、板;(2)钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙通常会出现斜向或交叉裂缝;(3)配置螺旋箍筋的混凝土柱,当层间位移角达到较大数值时,核心混凝土仍保持完好,柱仍具有较大的抵抗能力;(4)钢筋混凝土框架如在同一楼层出现长、短柱并用的情况,短柱破坏较为严重。

  1 . 5 房屋体形方面

  (1)L形、T形、Y形等不规则平面房屋建筑破坏率显著增高;(2)有大底盘的高层建筑,裙房顶面与主楼相接处面积突然减小的楼层,即相邻楼层质量突变较大时,破坏程度加重;(3)防震缝设置宽度太小导致建筑物间发生碰撞破坏;(4)楼层平面形心与重心偏移越大,震害越严重。

  2 结构抗震概念设计

  地震作用影响因素极为复杂,是一种随机、尚不能准确预见、计算的外部作用。目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法,要进行精确的抗震计算还有一定的困难,因此人们在工程实践中提出了“建筑抗震概念设计”。抗震概念设计就是以工程概念为依据,从有利于提高结构抗震力的概念上,用符合工程客观规律和本质的方法对所设计的对象进行宏观的控制。结构的抗震设计应该是综合概念设计、计算和结构措施等完整的一系列设计。概念设计强调在工程设计应把握好场地选择、能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等方面,从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节,再辅以必要的计算和构造措施,使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。

  3 建筑结构刚度、承载力和延性设计的合理匹配

  当建筑结构具有较高的抗力时,其总体延性的要求可有所降低;反之,较低的抗力需要较高的延性与其相配合。因此,对结构提出了“综合抗震能力”的概念,就是要综合考虑整个结构的承载力和构造等因素衡量结构抵抗地震作用的能力。地震时建筑物所受地震作用的大小与其动力特性密切相关,与其具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性密切相关。但是,提高结构的抗侧力刚度,通常是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。因此,提高建筑物的抗震性能,最理想的措施是使结构中的所有构件都具有较高的延性,然而实际工程中很难做到。工程实践中,有选择的提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性是比较经济而行之有效的方法。综上可见,在确定建筑结构体系时,需要在结构刚度、承载力及延性之间寻找一种较好的匹配关系。

  4 采取相应的构造措施加强薄弱环节

  结构设计中始终要遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”的设计原则,重视构件的延性性能,加强薄弱部位;合理控制钢筋的锚固长度,尤其是钢筋的直线段锚固长度,考虑温度应力的影响。除此之外,还应注意按规整、均匀、对称等原则考虑平、立面的布置。综合考虑抗震的多道防线,尽量避免薄弱层的出现,以及正常使用极限状态的验算等等都需要概念设计作指导。加强薄弱环节设计具体要求如下。

  (1)在抗震设计中要有意识、有目的地控制薄弱层(部位),使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移,这是提高结构抗震性能的重要手段;(2)结构在强烈地震作用下不存在强度安全储备,构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析)是判断薄弱层的基础;(3)要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对较为均匀的变化,一旦楼层(部位)比例出现突变时,会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。(4)要防止在结构局部加强而忽视整个结构各部位刚度、承载力的协调。

  5 结构隔震与消震设计

  为了提高结构的整体抗震性能,隔震和消能减震等抗震技术应用于设计使用功能有特殊要求的建筑,耗能元件及其体系可错开地震动卓越周期,从而防止共振破坏,减轻地震振动效应以及风振。隔震即隔离地震,即在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层,使房屋与基础隔离开来,隔离地面运动能量向建筑物的传递,以减小房屋结构的地震反应,实现地震时建筑物只发生较轻微运动和变形,从而保证建筑物的安全。消能减震则是通过在建筑物中设置消能部件,使地震输入到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗,一部分由结构的动能和变形能承担,以此达到减少结构地震反应的目的。

  随着社会的不断发展,对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高,使“延性结构体系”的应用日益局限,传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求。而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性,在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。阻尼器在隔震与消震设计技术中应用而生,阻尼器的性态应通过在最大地震和最大风荷载下的足尺试验得到验证。同时提高结构阻尼,采用高延性构件,能够提高结构的耗能能力,减轻地震作用。

  6 结语

  结构抗震设计方法的研究与进展,尤其是各国历次大地震对人类造成的严重灾害的经验教训,使世界各国地震工程学者及抗震设计人员逐步取得了较为一致的认识,经济与安全的关系,是结构抗震设计的重要技术政策。从长远观点看,如何从我国高层建筑抗震设计现状及国际高层建筑抗震设计发展的趋势出发,探求一种实用可行的合理抗震设计分析方法,是处于地震设防区域高层建筑发展的新方向。 相关文章

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