高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

王宏斌

摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)完整、系統(tǒng)的過(guò)程。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，工程師和技術(shù)設(shè)計(jì)人員必須從整體宏觀的角度出發(fā)。抗震設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿于建筑物從選址到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。目前，主流的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)策略仍然是延性結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)增加構(gòu)件截面尺寸，加強(qiáng)加固，依靠主體結(jié)構(gòu)本身的地震能來(lái)消耗地震能，滿(mǎn)足設(shè)防要求。這是一種被動(dòng)的硬抗。積極減輕或抑制地震反應(yīng)，通過(guò)建筑本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抵消地震應(yīng)力，是有效的途徑。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);抗震設(shè)計(jì)

前言

建筑物的抗震設(shè)計(jì)是決定建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵。因此，準(zhǔn)確運(yùn)用不同的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)不同情況采用不同的抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施。以求最合理的抗震設(shè)計(jì)，本文對(duì)此進(jìn)行分析。高層抗震能力是設(shè)計(jì)安全的基本要求。基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間線(xiàn)性剛度比的概念，討論了構(gòu)件之間的強(qiáng)弱關(guān)系。注重全局控制和局部協(xié)調(diào)。協(xié)同工作是提高結(jié)構(gòu)綜合抗震能力的根本。

1.合理布置結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)以往工作經(jīng)歷，在結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)該遵循4個(gè)原則，1）結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)，局部協(xié)同;2）剪力墻盡可能?chē)希峁┹^大抗扭剛度;3）細(xì)分剪力墻的強(qiáng)弱;4）保證框架的強(qiáng)塑性線(xiàn)剛度大于框架梁的彈塑性剛度。

由于連梁的耗能作用逐步降低，在耗能過(guò)程中墻肢有可能出項(xiàng)彈塑性變形，特別是底部加強(qiáng)區(qū)容易屈服，在反復(fù)荷載作用下會(huì)形成交叉斜裂縫，出現(xiàn)破壞。即使豎向構(gòu)件有充分的抗剪能力，但如果在塑性部分鉸區(qū)域的墻身水平鋼筋不夠密，斜裂縫就會(huì)貫通剪力墻向上發(fā)展。

另一方面，在塑性發(fā)展階段，由于多向地震作用震動(dòng)不協(xié)調(diào)，在前后左右的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將產(chǎn)生大變形，如果低不堅(jiān)強(qiáng)部位的墻體過(guò)早屈服，形成大范圍的內(nèi)力重新分配，就可能導(dǎo)致整個(gè)樓體嚴(yán)重受損。因此，再高烈度設(shè)防區(qū)的剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻是遭受強(qiáng)震中的保護(hù)整個(gè)樓體的基石。

2.剛度折減系數(shù)的合理確定

剛度折減系數(shù)是考慮到連梁在地震作用下開(kāi)裂，剛度降低，受力減小而采用的，不僅要保證安全性更要保證抗裂性。在選取折減系數(shù)時(shí)要按照以下原則：框架結(jié)構(gòu)彈性間層位移角和塑性層位移角極限要求;滿(mǎn)足豎向荷載下梁的承載力和裂縫寬度;梁跨高比應(yīng)取較小的折減系數(shù)。

3.框架柱與框架梁

由經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)我們可以知道，框架柱和框架梁的變形與線(xiàn)剛性比密切相關(guān)。在工程實(shí)踐中，框架柱的彈塑性線(xiàn)剛度應(yīng)大于框架梁的線(xiàn)鋼比，其次才是規(guī)范的要求的框架柱受彎承載力大于框架梁受彎承載力。

4.短跨框架梁的跨高比

在高烈度地震區(qū)，短跨框架梁的跨高比應(yīng)該限制在5以下，這樣才能按照連梁來(lái)設(shè)計(jì)，同時(shí)，連梁設(shè)計(jì)應(yīng)將短跨框架梁架梁的跨高比控制在2.5～5.0之間。

5.扭轉(zhuǎn)角

在相同峰值的地震波作用下，結(jié)構(gòu)繞縱軸的扭轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)變化較為劇烈，這主要是由于不同結(jié)構(gòu)平面上剛度分布不均勻，造成嚴(yán)重的強(qiáng)梁弱柱，由于較大的剛度而分擔(dān)了應(yīng)力，由于偏心的存在，較大的地震剪力會(huì)加大此部位的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，因而控制結(jié)構(gòu)各層扭轉(zhuǎn)角對(duì)于提高抗震安全性是非常有利的。

6.框架柱的設(shè)計(jì)

框架柱的性能是框架在地震產(chǎn)生強(qiáng)大應(yīng)力產(chǎn)生彈塑性變形而不至于倒塌的先決條件是“強(qiáng)彎”，保障“強(qiáng)彎”性能的目的是為了梁柱間節(jié)點(diǎn)以及框架柱內(nèi)德混凝土提供有效的約束條件，保障其裂但是不破碎，才能在強(qiáng)震中不至于倒塌。

6.1連梁布置 連梁通常采用弱連梁和框架梁，弱連梁是聯(lián)系個(gè)部分的紐帶，強(qiáng)連梁和好強(qiáng)連梁是整體的構(gòu)件。墻體的強(qiáng)韌性，就是通過(guò)強(qiáng)連梁和超強(qiáng)連梁組成的抗扭剛度較大的筒體。

6.2框架梁布置 框架梁與框架梁的相對(duì)線(xiàn)剛比是適宜的，這樣體現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)弱組合，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到大變形時(shí)，保持整體的相對(duì)穩(wěn)固。

6.3樓板布置 根據(jù)樓面整體震動(dòng)的特點(diǎn)，人行走激勵(lì)下舒適度分析參數(shù)選取原則如下，考慮動(dòng)力荷載效應(yīng)，感受點(diǎn)最大豎向震動(dòng)峰值加速度為0.00175g，小于0.005g的極限擇樓板能滿(mǎn)足正常使用狀態(tài)下舒適度的要求。

7.性能目標(biāo)

小震不壞，中震可修，大震不倒是實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)的基本要求，汶川地震告訴我們不僅要不倒，更要體現(xiàn)生命線(xiàn)工程，真正以人為本。

8.中等地震不屈服分析

構(gòu)件的變形能力，采取強(qiáng)剪，強(qiáng)彎的措施，保證豎向構(gòu)件有足夠的柔韌性，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)在遭遇罕見(jiàn)地震時(shí)具有大變形的能力，在底部加強(qiáng)區(qū)的筒體保持不屈服，

9.彈塑性分析

樓梯結(jié)構(gòu)在地震作用下，組成結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)構(gòu)件的筒體在發(fā)揮著抗震作用，剪力墻間的連梁和框架梁作為主要的耗能構(gòu)件耗散了大量的地震能量，擋結(jié)構(gòu)遭遇特大地震，強(qiáng)弱連梁對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耗能次序起了關(guān)鍵的作用。在結(jié)構(gòu)中上部的樓層，框架柱未進(jìn)入塑性狀態(tài)，具有很好的扛著能力，可以繼續(xù)發(fā)揮抗震作用，通過(guò)彈塑性動(dòng)力和靜力過(guò)程，可以確定強(qiáng)弱組合是可靠的。

9.1靜力彈塑性分析.結(jié)構(gòu)在較大的地震作用下，某些部位要發(fā)生屈服甚至被破壞而退出工作，結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)從彈性過(guò)度的彈塑性，隨著彈塑性的發(fā)生和發(fā)展，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能發(fā)生改變，所以要考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線(xiàn)性狀態(tài)的地震反應(yīng)分析。

9.2動(dòng)力時(shí)程分析.采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算罕見(jiàn)地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱處的變形，和校核豎向構(gòu)件是否滿(mǎn)足強(qiáng)彎、強(qiáng)剪的要求，（按規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，9度設(shè)防區(qū)，高度不超過(guò)60M的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防區(qū)的結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，鑒于該建筑功能的復(fù)雜性，采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析作為施工圖世界的補(bǔ)充分析手段，以及作為調(diào)整施工圖的設(shè)計(jì)依據(jù)。）

10.結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)

罕見(jiàn)地震作用下局部錯(cuò)層部位的框架柱承受的剪力較大，設(shè)計(jì)中錯(cuò)層部位框架梁柱點(diǎn)處采取兩端加腋得出了措施，保證水平地震剪力的直接傳遞，避免搓成短柱限于其他構(gòu)件被破壞。為提高錯(cuò)層部位框架柱的抗震性能及延性，錯(cuò)層部位框架柱的抗震等級(jí)提高特一級(jí)，降低其軸壓比，采用在錯(cuò)層框架短柱內(nèi)增設(shè)型鋼的加強(qiáng)措施。

11.平面連接薄弱部位設(shè)計(jì)

為提高各層樓蓋的承載能力和整體剛度，更好的保證樓層水平力的有效傳遞，設(shè)計(jì)時(shí)暗梁配筋按剪力墻構(gòu)造要求配置，以提高該部位的抗震能力，避免由于平面剛度突變出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。

12.結(jié)語(yǔ)

按照強(qiáng)豎向，弱水平桿件的原則，從結(jié)構(gòu)的整體布局入手，對(duì)局部構(gòu)件進(jìn)行相對(duì)強(qiáng)弱分析實(shí)質(zhì)符合結(jié)構(gòu)力學(xué)的本質(zhì)屬性，強(qiáng)調(diào)構(gòu)件間的剛度比應(yīng)與遭受罕見(jiàn)地震的變形能適應(yīng)，只有協(xié)調(diào)處理好各構(gòu)件間的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系，結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)性才有保證，強(qiáng)調(diào)協(xié)同工作是根本，提高結(jié)構(gòu)的綜合扛著能力才是目的。

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