基于高層建筑抗震設計的實踐研究

【摘 要】隨著城市建設不斷發(fā)展，高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的高層建筑越來越多。由于高層建筑的高度高，所以應該特別注重抗震設計。本文在分析了高層建筑的抗震設計內(nèi)容和特點后，結(jié)合具體的案例對高層建筑的抗震設計措施進行了探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；抗震設計；內(nèi)容 特點；措施

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，高層建筑得的發(fā)展是大勢所趨，高層建筑的結(jié)構(gòu)安全也越來越受到人們的關(guān)注。而我國是一個地震多發(fā)國家，地震建筑災害已成為地震災害中最具破壞性和殺傷力的毀滅性災害，因此，高層建筑抗震工作一直是建筑設計和施工的重點，結(jié)構(gòu)工程師必須按抗震設計要求進行結(jié)構(gòu)分析與設計。

1 高層建筑抗震設計的主要內(nèi)容

在罕遇地震作用下，抗震結(jié)構(gòu)都會部分進入塑性狀態(tài)，為了滿足大震作用下結(jié)構(gòu)的功能要求，有必要研究和計算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。當前國內(nèi)外抗震設計的發(fā)展趨勢，是根據(jù)對結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進行設計，結(jié)構(gòu)彈塑性分析將成為抗震設計的一個必要的組成部分，但是由于結(jié)構(gòu)彈塑性分析的復雜性，在如何進行計算和如何設定具體要求的問題上，各國的做法也有所不同。我國現(xiàn)行抗震規(guī)范(GB 50011-2010)要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下（小震），按反應譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內(nèi)力及位移，并用極限狀態(tài)方法設計構(gòu)件。對于重要建筑或有特殊要求時，要用時程分析法補充計算，并進行大震作用下的變形驗算。這種先用多遇地震作用進行結(jié)構(gòu)設計，再校核罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的方法，即為所謂的二階段設計方法，同時規(guī)范規(guī)定了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性變形的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動力分析（時程分析）和彈塑性靜力分析（推力計算）兩大類。

2 高層建筑抗震設計特點

第一，控制建筑物的側(cè)移是重要的指標。在地震荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力占主導地位，所以建筑物會產(chǎn)生明顯的側(cè)移，隨建筑結(jié)構(gòu)的高度不斷曾加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移迅速增大，但該變形要在一定限度之內(nèi)，這樣才能保證結(jié)構(gòu)安全以及使用功能。

第二，地震荷載中的水平荷載是決定因素。水平荷載會使建筑物產(chǎn)生傾覆力矩，并且在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件中引起很大的軸力，這些都與建筑物高度的兩次方成正比，故隨建筑結(jié)構(gòu)高度的曾加，水平載荷大相徑庭。對高度一定的建筑物而言，豎向荷載基本上是不變的，但是隨著建筑物的質(zhì)量、剛度等動力特性的不同，水平地震荷載和風荷載的變化是比較大的。

第三，要重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設計。高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加，剛度減小，顯得更柔，在地震荷載作用下變形較大。這就要求建筑結(jié)構(gòu)要有足夠的變形能力，使結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段仍然安全，需要在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取有利的措施，使得建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3 對某高層建筑抗震設計的分析

3.1 工程概況。位于廣州市郊區(qū)，總建筑面積8.02 萬m2，包括A、B、C 三棟高層建筑。其中，A 棟高層建筑由20 層、29 層和31 層三個單體連接而成，最高高度為97.35m，建筑面積為5.8 萬m2；B 區(qū)高層住宅為18 層、高度56.5m，建筑面積2.2 萬m2。在功能上，1~5 層為商店和辦公用房，6 層以上為住宅，地下一層為人防地下室。

3.2 該工程建筑等級為一級，使用年限為100年，抗震設防烈度為6 度，地震基本加速度為0.05g，結(jié)構(gòu)形式采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.3 該工程一是屬于竪向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高位轉(zhuǎn)換，底層大空間層數(shù)在地面以上已達到5 層。二是由于其平面為不規(guī)則的L 型樓盤，剛度質(zhì)心與形心不重合。這些都不利于抗震防震，應該進行研究和論證，采取特別的加強抗震措施。

3.4 抗震設計時，在L 型樓盤凹角處，結(jié)合住宅建筑立面造型和平面布置，采用加設厚板及巨型邊梁的處理方法，使設計特征周期、地震力與震型輸出達到GB50011－2010《建筑抗震設計規(guī)范》的要求。通過合理調(diào)整局部上、下剪力墻的數(shù)量，來滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范對位移比及轉(zhuǎn)角的要求，使結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻，不發(fā)生明顯的突變。

3.5 該工程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗算結(jié)果如下：Ｘ向剛度比EJd/GH = 5.81 ≥ 1.4 ；Ｙ 向剛度比EJd/GH = 7.64≥1.4。均滿足抗震設計要求。

3.6 在抗震概念設計中還做了以下分析改進：① 由于本工程高位轉(zhuǎn)換的一些顯著特點使配筋面積過大，結(jié)構(gòu)延性相對較差，因此在主要部位如框支柱、框支梁及地下室頂層結(jié)構(gòu)優(yōu)先使用了三級鋼，且鋼筋在最大拉力下的總伸長率，實測值不應小于9 % ，使材料特性可以充分發(fā)揮作用。② 塔樓穹頂鞭梢效應明顯。用鋼結(jié)構(gòu)替代混凝土結(jié)構(gòu)，充分利用鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強的材料特點，沒有盲目增大突出部位的剛度，而是使其第一階自振頻率、整體結(jié)構(gòu)低階頻率不接近地面運動擾頻的方法來實現(xiàn)。

3.7 根據(jù)抗震概念設計理念，做好并加強對不需計算的結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)各部分的抗震構(gòu)造措施，主要考慮和分析了以下問題：① 對于鋼筋混凝土柱的設計。一是應該按軸壓比控制，軸壓比相差不宜大于0.2 當建筑有要求時，應和建筑協(xié)商好該問題。二是柱配筋時，應同時滿足配筋、箍筋、主筋、角筋、最小體積配筋率的要求。三是框架結(jié)構(gòu)中主樓梯柱（中間平臺作用處）因為該柱為短柱，應該全程加密。② 對于鋼筋混凝土梁的設計。一是框架梁高取1/10 ~ 1/15 跨度，應該與建筑協(xié)商好凈高要求。二是對于一些大跨度公共建筑，梁的寬度應適當加大，應取300 mm 以上。梁的寬加寬后有利于抗剪，符合“強剪弱彎”的原則；寬350 mm 的梁，采用四肢箍筋可以使箍筋直徑減小；主梁寬度加寬后有利于次梁鋼筋的錨固；盡量避免長高比小于4 的短梁。三是梁配筋應充分考慮梁的錨固長度，特別是次梁，應滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；注意腰筋的設置，單側(cè)腰筋應大于0.1% bhw；采用長高比小于4 的短梁時，全梁的箍筋應加密，梁上部鋼筋應通長，梁的縱筋不宜過大。四是主梁上有次梁處（包括挑梁端部）應附加箍筋和吊筋，宜優(yōu)先采用附加箍筋；應避免次梁搭接在主梁的支座附近，否則應考慮由次梁引起的主梁抗扭，或增加構(gòu)造抗扭縱筋和箍筋。五是次梁端部與框架梁相交或彈性支承在墻體上時，梁端支座可按簡支考慮，但梁端箍筋應加密。③ 對大于懸挑梁的設計。一是懸挑梁宜做成等截面（大挑梁外露者除外）。與懸挑板不同，挑梁的自重占總荷載的比例很小，做成變截面不能有效地減輕自重；變截面挑梁的箍筋，每個都不一樣，難以施工。二是要注意加強懸挑梁頂面的鋼筋，箍筋全長加密，對于1m 長的挑梁應驗算撓度。④ 對于鋼筋混凝土板的設計。一是現(xiàn)澆樓板厚度：多層建筑屋面、地下室頂板為120 mm；高層建筑屋面、地下室頂板為150 mm；頂應力樓板為150 mm；一般現(xiàn)澆板80 mm。二是當板內(nèi)預埋暗管時，板厚不宜小于100 mm；預埋暗管多層交叉時，板厚應加厚以滿足要求。三是作為上部結(jié)構(gòu)嵌固的地下室頂板，厚度應不小于180 mm，混凝土標號不低于C30。四是板應采用雙層雙向配筋，每個方向的配筋率均不宜小于0.25%。

4 結(jié)束語

總之，在抗震設防區(qū)，對高層建筑結(jié)構(gòu)設計的可靠性、安全性及抗震設防質(zhì)量提出了嚴格的管理規(guī)定。因此，在不斷總結(jié)經(jīng)驗和加深認識當中，在超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計時必須采取一系列對策。

參考文獻：

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