論高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

史少華 熊勇權(quán)

(四川文理學(xué)院環(huán)境與建筑工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

論高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

史少華 熊勇權(quán)

(四川文理學(xué)院環(huán)境與建筑工程學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

就地震對高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞原因進(jìn)行了分析和研究,總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念的意義，并從地基基礎(chǔ)抗震、抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震原則及抗震設(shè)計應(yīng)用等方面對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了探討。

高層結(jié)構(gòu)，地震荷載，概念設(shè)計

地震是一種地球地殼自然的運動,絕大多數(shù)的地震發(fā)生在地球深層對于人類來說影響很小,但如果發(fā)生在底層表面所釋放出巨大的能量將造成巨大的破壞。而我國又是地震高發(fā)地區(qū),如2008年的汶川大地震和2010年玉樹地震都造成大量的房屋倒塌,不僅使經(jīng)濟遭到損失而且人員也有很多傷亡,同時也看到很多房屋尤其是高層建筑在巨大的災(zāi)難面前經(jīng)受住了嚴(yán)峻的考驗，這說明只要嚴(yán)格按照抗震設(shè)計規(guī)范來建造的建筑是能保障人民的生命財產(chǎn)安全的。然而高層建筑在地震時的損壞還是超出了我們的預(yù)期，因此高層建筑抗震設(shè)計是建筑物安全考慮的重要問題。現(xiàn)在我們抗震規(guī)范要求“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三個水平的設(shè)防目標(biāo)，以上是建筑設(shè)計抗震最低要求，而我們在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，要結(jié)合地區(qū)烈度及等級來考慮高層建筑抗震要求，其中下面幾個方面是優(yōu)先考慮的。

1 高層建筑抗震概念設(shè)計

目前我們對地震還知之甚少，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論目前還是以試驗與簡化后的理論結(jié)合來制定的，還有不少不足和待完善的地方，所以在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時常常通過軟件數(shù)值計算，但只能從局部來解決。而結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的目標(biāo)是建筑物的整體結(jié)構(gòu)在地震時能夠發(fā)揮耗散地震能量的作用，通過結(jié)構(gòu)合理布局，選擇延性好，耗能強的結(jié)構(gòu)體系來達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。就是我們常說的強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件，這就要求我們考慮以下幾個方面：1)要求采用受力明確，傳力簡單的結(jié)構(gòu)體系；2)采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施如加構(gòu)造柱，圈梁，加強層，轉(zhuǎn)化層等來達(dá)到抗震要求；3)選取合適強度同時有良好延性的建筑材料以及正確施工技術(shù)實現(xiàn)對高層建筑結(jié)構(gòu)體系抗震性能的合理控制。

2 場地與基礎(chǔ)

地震造成建筑的破壞首先考慮場地與基礎(chǔ)，因場地造成的工程的震害是很難恢復(fù)以及處理的，對于場地選擇盡可能避開斷裂帶和不利地段(如軟弱土，液化土，高聳孤立的山丘，半挖半填地基，斷層破碎帶等)，如避免不了就要對場地地基進(jìn)行加固處理(如換土墊層法，重錘夯實法，強夯法，振動水沖法，深層擠密法，沙井預(yù)壓法等)，所以盡可能挑選對建筑抗震有利的地段(如開闊平坦地帶的堅硬場地或者密實均勻中硬場地)，不僅有利于建筑抗震性能而且經(jīng)濟合理。對高層建筑抗震地基優(yōu)先選擇淺基礎(chǔ)，并且同一結(jié)構(gòu)體系不宜設(shè)在不同性質(zhì)的地基上，同一建筑不宜采取兩種以上的不同基礎(chǔ)，同時要考慮建筑結(jié)構(gòu)上部體系與地基基礎(chǔ)相互作用關(guān)系。

3 選擇良好的抗震結(jié)構(gòu)體系

1)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震體系選擇不同于其他建筑布局，除了簡單合理的結(jié)構(gòu)布置，考慮其規(guī)則與對稱，避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)與失衡情況，因此豎向結(jié)構(gòu)布置應(yīng)有規(guī)則的均勻變化，從上而下結(jié)構(gòu)剛度逐漸變小，如果由于建筑要求而發(fā)生平面，剛度以及承載力局部的突變變?yōu)椴灰?guī)則體系時，我們要根據(jù)地震規(guī)范與高規(guī)以下幾個方面來判斷其是否規(guī)則：a.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；b.抗扭剛度弱；c.層剛度小；d.平面不規(guī)則；e.樓板不規(guī)則；f.豎向剛度不規(guī)則，滿足其中一項為不規(guī)則,滿足其中三項為特別不規(guī)則,對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)要采取抗震措施來加強薄弱層的抗震性能，要進(jìn)行超限高層建筑高層抗震設(shè)防的專項審查,此外對于多項指標(biāo)超過抗震規(guī)范3.4.4條為嚴(yán)重不規(guī)則建筑，應(yīng)該與建筑設(shè)計人員溝通最好改變設(shè)計方案。2)多道抗震設(shè)防。控制同一結(jié)構(gòu)各構(gòu)件或部件在地震中損壞或形成塑性鉸的順序而成的多道防御系統(tǒng)，使整個結(jié)構(gòu)壞而不倒。為了避免因局部失效或者薄弱層而引起結(jié)構(gòu)的破壞，要求結(jié)構(gòu)體系由延性好的不同結(jié)構(gòu)體系形成剛性的超靜定結(jié)構(gòu)來共同工作以抵抗地震破壞。要求結(jié)構(gòu)體系良好的整體性和變形能力，當(dāng)?shù)谝坏揽拐鸱谰€遭受超過它設(shè)防要求而破壞，第二道防線作為下一道屏障對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行保護(hù)。如框架剪力墻體系既有框架又有抗震墻，抗震墻作為第一道防線，框架作為第二道防線。但如果抗震墻很少，結(jié)構(gòu)就不是多道防線的結(jié)構(gòu)體系。從以上可以看出房屋的倒塌由于抗側(cè)力構(gòu)件不能承受荷載作用力，當(dāng)采用多道抗震設(shè)防時,可以適當(dāng)降低第一道防線的控制能力，提高第二道防線抗震能力。3)抗震薄弱層。薄弱層也是建筑抗震設(shè)計需重點關(guān)注的地方,根據(jù)材料的規(guī)格尺寸，剛度，變形能力，使用功能和建筑的美學(xué)的要求，致使建筑結(jié)構(gòu)體系會突破常規(guī)要求，出現(xiàn)豎向和平面變化比較大的結(jié)構(gòu)體系而成為相對的抗震薄弱環(huán)節(jié)，在罕見地震荷載作用下率先出現(xiàn)屈服，而發(fā)生彈塑性非線性變形,造成建筑的破壞，這里要強調(diào)三點：a.薄弱層只是在強震情況下考慮的結(jié)構(gòu)彈塑性變形問題。b.要對結(jié)構(gòu)從整體上進(jìn)行受力分析，而避免只是考慮部分薄弱層受力與變形。c.由于結(jié)構(gòu)是不是薄弱層只是一個相對概念，因此常常因為設(shè)計施工或者材料的變化導(dǎo)致薄弱層的改變，在此控制薄弱層位置發(fā)生轉(zhuǎn)移而又能達(dá)到它的變形能力，這是控制結(jié)構(gòu)抗震性能最關(guān)鍵的。

4 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計

除承重結(jié)構(gòu)以外的固定構(gòu)件都是非承重結(jié)構(gòu)，雖然非承重結(jié)構(gòu)在建筑中只是附件非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，但在屢次的震害過程中非結(jié)構(gòu)造成的人員與財產(chǎn)損害已屢見不鮮了。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震要求以下幾點：1)先分清哪些是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如屋頂?shù)难b飾屬于結(jié)構(gòu)構(gòu)件與否并不好界定，這種情況一般按結(jié)構(gòu)構(gòu)件處理。2)非結(jié)構(gòu)體系對結(jié)構(gòu)體系影響，對于設(shè)備作用在其結(jié)構(gòu)主體上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)計算設(shè)備的重力，與結(jié)構(gòu)柔性連接的非結(jié)構(gòu)可以不計其剛度，但當(dāng)有專門構(gòu)造措施可計入抗震承載力，同時要考慮非結(jié)構(gòu)上作用的力對建筑結(jié)構(gòu)的作用，并且相互的聯(lián)系要滿足錨固要求。3)非構(gòu)件自身的地震力作用在其重心上，對于支撐在樓層和防震縫的兩側(cè)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，要計入地震時支撐點之間相對的位移產(chǎn)生的作用效應(yīng)，非構(gòu)件在位移方向的剛度要根據(jù)其端部實際聯(lián)系分別根據(jù)不同的連接方式采用不同的力學(xué)模型。

5 結(jié)語

高層建筑設(shè)計前的地質(zhì)勘察是建筑是否成功的前提，接著根據(jù)地勘報告設(shè)計建筑方案是關(guān)鍵一步，建筑物設(shè)計是否有良好的抗震效果主要在建筑方案體現(xiàn)，接著是施工圖設(shè)計，它是把建筑思想變?yōu)楝F(xiàn)實最重要的一步，也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震性優(yōu)劣的十分重要的具體體現(xiàn)，設(shè)計的基本要求要保證在“小震不壞，中震可修，大震不倒”基本目標(biāo)，設(shè)計高層建筑物時，要注意建筑物的結(jié)構(gòu)布置問題，盡量保證質(zhì)心與剛心重合、重心與質(zhì)心重合、剛心與重心重合的三心合一。這樣能提高抗震效果，增強抵御地震的抗破壞性。總之提高高層建筑抗震性能要根據(jù)建筑的等級來考慮安全指數(shù)。從一開始地區(qū)規(guī)劃，地質(zhì)勘查以及后來的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，建造過程以及施工工藝等的選擇這些都是控制高層建筑抗震效果的關(guān)鍵原因。

[1] 華 穎.抗震概念設(shè)計在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].中華民居，2013(6)：78-80.

[2] 都風(fēng)強.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009(2)：104-106.

[3] 方鄂華.我國高層建筑抗震設(shè)計的若干問題[J].土木工程學(xué)報，1999(3):43- 46.

Discussion on high-rise building seismic structure design

Shi Shaohua Xiong Yongquan

(CollegeofEnvironment&BuildingEngineering,SichuanCollegeofArts&Technology,Dazhou635000,China)

The paper analyzes and studies high-rise building structure earthquake damage causes, summarizes the seismic concept of high-rise structure, and analyzes high-rise buildings seismic structure design including foundation seismic resistance, seismic structure components, non-structural seismic resisting principles and seismic resisting design application and so on.

high-rise structure, seismic load, concept design

2015-04-01

史少華(1976- )，男，碩士，工程師； 熊勇權(quán)(1979- )，男，講師

1009-6825(2015)17-0027-02

TU973

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