對高層建筑結構抗震概念設計的幾點認識

梁愛莉

摘要 本文針對地震的特點,強調工程結構抗震中概念設計的重要性及進行概念設計的基本原則,從結構設計的簡單性、規則性、均勻性、對稱性、結構的剛度和延性的合理匹配等幾個方面對高層建筑結構抗震概念設計進行了闡述,要求工程技術人員在結構設計中不僅應具有扎實的“計算設計”功底,還應具備清晰的概念和豐富的實踐經驗,在工程設計開始就把握好房屋體型、結構體系、剛度分布、構件延性等幾個方面,從根本上消除建筑中的抗震薄弱環節。

關鍵詞 高層建筑;抗震;概念設計

中圖分類號 TU973+.31 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)10-0012-02

地震是一種隨機振動,有著難于把握的復雜性和不確定性。要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數,一時很難做到。成功的工程結構抗震設計不能僅依賴于精細的計算分析,同時還必須在總結現有震害經驗基礎上,利用已經認識的結構地震反應規律和良好的結構知識對結構的總體布置和細部構造進行合理設計,即所謂的抗震概念設計。

概念設計的重要性,主要在于因為現行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或者不可計算性,為了彌補計算理論的缺陷,或者實現對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計,都需要優秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。同時,概念設計還體現在方案設計階段,初步設計過程是不能借助于計算機來實現的,這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念,選擇效果最好、造價最低的結構方案,為此,需要工程師不斷地豐富自己的結構概念,深人了解各類結構的性能,并能有意識地、靈活地運用它們。

概念設計強調,在工程設計一開始就應把握好場地選擇、能量輸人、房屋體型、結構體系、剛度分布、構件延性等幾個方面,從根本上消除建筑中的抗震薄弱環節,再輔以必要的計算和構造措施,就有可能使設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。以下討論的是高層建筑結構概念設計中較為關鍵的問題。

1 結構布置力求簡單、規則

在設計時,要使結構布置盡量簡單,只有結構簡單,才能夠對結構的計算模型、內力與位移分析,限制薄弱部位的出現易于把握,因而對結構抗震性能的估計也比較可靠。

結構布置均勻、建筑平面規則,有利于防止薄弱的子結構過早破壞、倒塌,使地震作用能在各子結構之間重分布,增加結構的贅余度數量,發揮整個結構耗散地震能量的作用。沿建筑物豎向,建筑造型和結構布置比較均勻,避免剛度、承載力和傳力途徑的突變,以限制結構在豎向某一樓層或極少數幾個樓層出現敏感的薄弱部位[1]。

在建筑結構的平面布置時,應力求抗側力構件的布置均勻對稱,只有這樣才不會使結構的質量中心和剛度中心存在較大偏離,從而避免在地震下產生附加扭轉破壞。1972年在南美洲馬那瓜地震中,兩幢相鄰高層建筑的截然不同震害就是由于主要抗側力構件非對稱布置所造成附加震害的典型實例,其中15層的中央銀行大廈因抗側力構件不對稱布置(鋼筋混凝土梯井均集中布置在結構平面的右端)而發生倒塌,而采用對稱外框內筒結構的18層美洲銀行大廈卻只受到輕微破壞;1995年日本阪神地震中,由于結構構件或填充墻非對稱布置所造成的結構附加扭轉破壞在臨街建筑的震害中表現得最為突出。這種臨街建筑的特點是沿街設櫥窗而背面為實墻,因而房屋縱向的剛度中心與質量中心存在較大偏離,震害特點是臨街一側鋼筋混凝土柱嚴重破壞,整幢建筑往街一側傾倒[2]。

2 剛度與延性的合理匹配

在高層建筑結構設計中,現行的規范是《高層建筑混凝土結構技術規程》。高層建筑層數多、高度大,為保證高層建筑結構具有必要的剛度,應對其層間位移加以控制。這個控制實際上是對構件截面大小、剛度大小的一個相對指標。高層建筑的抗側剛度對結構的抗震性有很大的影響,應設計的剛些還是柔些,不同的設計人員有不同的看法。

剛度決定的結構自振周期與場地的卓越周期應避開,以避免發生類共振,造成建筑物破壞、倒塌。由于高層建筑對地震地面運動的反應是一種動力反應,因而在建筑和結構體系的設計中就應該充分認識到結構體系的基本周期、場地軟硬程度、場地覆蓋層厚度和地震波的頻譜成分之間的動力效應關系,以避免結構產生單重或二重類共振而造成嚴重的破壞。建筑類共振破壞的問題已通過1985年墨西哥大地震中高層建筑(20層左右為主)的大量破壞而得到工程界的普遍共識。其原因是墨西哥城位于新近代沉積盆地,土質松軟且厚度大,場地卓越周期長。其周期范圍正好與20層左右的高層建筑的基本周期較為接近,從而造成了嚴重震害。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地的卓越周期,通過調整結構的層數、選擇合適的結構類別和結構體系,使建筑的基本周期盡量避開場地的卓越周期[3]。

一般認為,對于某些地區,由于土質較好,基巖埋深也普遍較淺,且高層建筑多采用樁基礎,或者有1~2層的地下室,持力層座落在中,微風化巖層或者中硬場地土層,地基的特征周期值較小。在此條件下,高層建筑的抗側高度一般可以設計的柔些,以結構的極限變形能力作為控制值。在滿足變形的限值的前提下,結構剛度盡可能設計得小些,這樣既降低了地震作用,也使場地與建筑物發生共振的可能性減小,而且也達到了經濟目的。大多數工程實踐證明,建在較硬場地上的高層建筑可以按變形控制,以柔克剛,既安全又經濟。

結構的抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的,承載力較低,但具有很大延性的結構,所能吸收的能量多,雖然較早出現損壞,但能經受住較大的變形,避免倒塌。僅有較高強度而無塑性變形能力的脆性結構,吸收能量的能力弱,一旦遭遇超過設計水平的地震時,很容易因脆性破壞而突然倒塌。彈性地震反應分析的著眼點是強度,用加大強度來提高結構的抗震能力,彈塑性地震反應分析的著眼點是變形能力,當地震力達到結構屈服抗力以后,利用結構的塑性變形發展來抗御地震,所以提高結構的屈服抗力只能推遲結構進入塑性階段,而增加結構的延性,不僅能削減地震反應,而且提高了結構抗御強烈地震的能力。

3 結論

作為土木工程技術人員在高層建筑的研究和工程設計中,不僅應具有扎實的“計算設計”功底,還應具備清晰的概念和豐富的實踐經驗,在設計的整個過程中更好地運用概念設計,去處理理論和細節問題,從而創造出更加安全、適用、經濟美觀的高層建筑。

參考文獻

[1]中華人民共和國建設部.GB50011-2001建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2]呂西林.高層建筑結構設計[M].2版.武漢:武漢理工大學出版社,2002.

[3]中華人民共和國建設部.JGJ3-2002高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.