鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵設(shè)計(jì)

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5.12汶川大地震及4.14青海玉樹縣地震，給人們帶來了無可估量的損失，提高建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)至關(guān)重要。近幾十年來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有了更大的發(fā)展，混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度得到提高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也開始應(yīng)用。鋼筋混凝土高層建筑成為了當(dāng)前建筑物的一個(gè)主體工程，如何保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是否過關(guān)尤為重要。設(shè)計(jì)階段決定主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸與構(gòu)造、連接，是結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要階段。論文就鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，旨在促進(jìn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展。

1 抗震設(shè)防水準(zhǔn)的概述

抗震設(shè)防水準(zhǔn)一般是以地震動(dòng)參數(shù)的形式來表達(dá)的，是指未來可能施加于結(jié)構(gòu)的地震作用大小。我國(guó)在上世紀(jì)中期頒布使用的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的設(shè)防目標(biāo)是單一的，只是對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度提出了要求，這個(gè)時(shí)期的設(shè)計(jì)通常稱為基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)。而目前我國(guó)正在使用的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2001，2008年版）中采用了三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，即：

第一水準(zhǔn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的小震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)一般不發(fā)生破壞或不需修理即可繼續(xù)使用；

第二水準(zhǔn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的中震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生破壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；

第三水準(zhǔn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的大震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴(yán)重破壞。

三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)即為人們通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。對(duì)抗震設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)的要求。而按“三水準(zhǔn)”的要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先遇到的問題是如何定義小震、中震和大震三個(gè)地震作用水平以及它們對(duì)應(yīng)的烈度值。（見表1）

表1 我國(guó)規(guī)范抗震設(shè)防水準(zhǔn)及性能目標(biāo)

2 改進(jìn)能力譜法及結(jié)構(gòu)的延性

改進(jìn)能力譜法的基本原理是首先建立一組層間需求曲線，該需求曲線族是利用地震作用下結(jié)構(gòu)在不同反應(yīng)階段的振型建立起來的，并且和結(jié)構(gòu)所處的場(chǎng)地類別、地震作用水平有關(guān)。在地震作用下，結(jié)構(gòu)在彈性階段、屈服階段、初始破壞階段和最終破壞階段具有不同的動(dòng)力特性，改進(jìn)能力譜法中的層間需求曲線則考慮了結(jié)構(gòu)在不同階段的動(dòng)力特性。若要滿足結(jié)構(gòu)具有足夠的抵抗外加地震層間剪力和層間變形的能力的要求，結(jié)構(gòu)的層間需求曲線和能力曲線在結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度儲(chǔ)備和變形能力儲(chǔ)備的區(qū)域(彈性范圍)必須相交。

延性是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超出彈性階段進(jìn)入塑性階段后的變形能力，按層次的不同分為截面延性、構(gòu)件延性和結(jié)構(gòu)延性。限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構(gòu)件延性，為實(shí)現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先與受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài)，以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，規(guī)范限制軸壓比與縱筋最大配筋率，同時(shí)對(duì)混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形能力主要取決于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性性能。延性性能越好的結(jié)構(gòu)其變形能力就越強(qiáng)，在地震作用下發(fā)生破壞時(shí)吸收的能量就越多。目前各國(guó)規(guī)范中主要是通過構(gòu)造措施來保證構(gòu)件的延性，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到滿意的變形能力。在基于性能的抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)變形的控制可按以下兩個(gè)步驟進(jìn)行：一是通過結(jié)構(gòu)的位移和延性需求確定其構(gòu)件的位移或延性需求，再根據(jù)構(gòu)件形式確定構(gòu)件截面變形或延性需求；二是進(jìn)行構(gòu)件截面變形能力設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)構(gòu)件截面形式和延性需求選擇合理的箍筋形式和間距，并通過計(jì)算確定約束混凝土的極限壓應(yīng)變和約束箍筋的數(shù)量。

3 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于層間位移的抗震設(shè)計(jì)方法，具體步驟可歸納如下：

1）初步確定結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置、層高及構(gòu)件的截面尺寸、材料強(qiáng)度等級(jí)。

2）考慮經(jīng)濟(jì)、安全和適用等要求，確定地震作用水平、結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)以及結(jié)構(gòu)層間位移角設(shè)計(jì)值。

3）結(jié)構(gòu)的延性需求，可通過結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下的不同性能水平確定，并由式(1)計(jì)算結(jié)構(gòu)的等效阻尼比。

式中：εeq； 的取值就抗震等級(jí)來定，即小震時(shí)結(jié)構(gòu)能夠正常使用，μ可以取1.0，中小震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于暫時(shí)使用或修復(fù)后使用狀態(tài)，可取μ=1.0或μ=1.0～1.5；中震時(shí)結(jié)構(gòu)處于修復(fù)后使用或保證生命安全，這時(shí)可取μ=1.5～3.0；大震時(shí)要保證結(jié)構(gòu)不倒塌，則 =3.0～4.0。由此，可計(jì)算得到在不同地震作用水平下，結(jié)構(gòu)不同樓層不同目標(biāo)層間位移角的層間需求曲線。結(jié)構(gòu)層間需求曲線的建立需要確定結(jié)構(gòu)n振型產(chǎn)生的i層最大側(cè)移μn.j.max和最大剪力，vn.j.max這時(shí)加速度值Sa（εn,Tn）需要計(jì)算求得。若用現(xiàn)行抗震規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜來計(jì)算該加速度值，需利用結(jié)構(gòu)的等效阻尼比εeq將現(xiàn)行抗震規(guī)范的彈性反應(yīng)譜進(jìn)行折減，以考慮結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下的彈塑性性能。

4）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，由式(2)與(3)計(jì)算結(jié)構(gòu)各樓層的層間需求曲線。利用地震加速度反應(yīng)譜或設(shè)計(jì)反應(yīng)譜可以得到結(jié)構(gòu)第n階振型產(chǎn)生的i樓層最大側(cè)移μn.j.max。

ωn為結(jié)構(gòu)的自振頻率；ψn.i為結(jié)構(gòu)第n階振型的形狀；ιn為振型參與系數(shù)。Sa（εn,Tn）為和阻尼比εn、周期Tn對(duì)應(yīng)的加速度。

通過式(2)，(3)，即可求得各樓層的層間剪力與層間位移之間的關(guān)系曲線，（ΔVi-Δμi）該曲線即為結(jié)構(gòu)層間需求曲線。結(jié)構(gòu)的振型、振型參與系數(shù)以及自振周期可以通過分析結(jié)構(gòu)的多自由度體系的振型可以得到。通過四個(gè)不同性能階段彈性階段、屈服階段、初始破壞階段和最終破壞階段分別對(duì)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析。進(jìn)行振型分析時(shí)，四個(gè)不同階段結(jié)構(gòu)的需求譜需采用以下假定，即結(jié)構(gòu)的振型形狀在每一個(gè)反應(yīng)階段保持不變。

5）由結(jié)構(gòu)的延性需求和目標(biāo)層間位移角，在層間需求曲線上確定結(jié)構(gòu)薄弱層的樓層剪力。

6）將薄弱層的樓層剪力按式(4)分配到各樓層，得到各樓層的地震作用。

式中：為結(jié)構(gòu)第i層的重力荷載代表值；hi為結(jié)構(gòu)各樓層的標(biāo)高；Di為結(jié)構(gòu)各層側(cè)向剛度。通過非線性靜力分析得到各樓層的層間剪力△Vi和層間側(cè)移Δμi關(guān)系曲線，該曲線即為該樓層的層間能力曲線。

7）構(gòu)件截面內(nèi)力設(shè)計(jì)值根據(jù)規(guī)范對(duì)計(jì)算的水平地震作用效應(yīng)和相應(yīng)的重力荷載效應(yīng)進(jìn)行組合計(jì)算得到，接著進(jìn)行構(gòu)件截面承載力計(jì)算，并采取必要的構(gòu)造措施以保證結(jié)構(gòu)的變形能力。

8）對(duì)按上述方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力分析，以校核結(jié)構(gòu)實(shí)際的層間位移能否滿足既定地震作用水平下層間位移的要求。

9）若初選的構(gòu)件尺寸等不合適，則對(duì)它們調(diào)整后重復(fù)上述過程，直至滿足既定地震作用水平下的目標(biāo)位移要求。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國(guó)大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞較為嚴(yán)重，其抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵設(shè)計(jì)，另外，必須滿足“強(qiáng)柱弱梁”“、強(qiáng)剪弱彎”“、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”“、強(qiáng)底層柱底”等延性設(shè)計(jì)原則和有關(guān)規(guī)定。