高层建筑结构的抗震设计

摘 要:随着社会生产与科学技术的进步,高层建筑的结构体系也得到不断的发展.随着经济水平的增长和高层建筑的增多,结构抗震分析和设计已经变得越来越重要.特别是我国处于地震多发区,高层建筑结构的抗震设计更显得尤为重要.


关 键 词:高层建筑、结构、抗震设计

高层建筑是社会生产的发展和人类物质生活的产物,是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果.当前我国高层建筑数量不断的增加,一方面提高了有限的土地的使用效率,促进了我国建筑行业的发展,另一方面给建筑结构抗震设计工作带来极大的挑战.我国是一个地震多发国家,很多城市都位于地震带上,因此在高层建筑结构设计过程当中一定要做好相应的结构设计工作,从而减少地震带来的破坏和损失.

一、抗震设计目标

国家为了规范建筑的抗震设计,出台了一系列的标准,其中的抗震设防烈度就是一个十分重要的标准,对于规范我国的建筑抗震设计具有十分重要的意义.抗震设防烈度是指按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度.我国《建筑抗震设计规范》提出三个水准的设防要求,即“小震可修,中震不坏,大震不倒”.它是通过二阶段设计方法来实现的.(1)按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合演算结构构件的承载能力,以及在小震作用下演算结构的弹性变性.(2)在大震作用下验算结构的弹塑性变形,以满足第三水准抗震设防目标的要求.第二水准抗震设防目标的要求,是以抗震构造措施来保证的.抗震设计目标是整个高层建筑抗震设计的大方向,所有的抗震设计工作都围绕着抗震设计目标而进行,因此对于建筑的抗震设计具有重大的意义.

二、高层建筑抗震设计中存在的问题.

研究高层建筑结构的抗震设计,必须要先明确目前高层建筑抗震设计中所存在的问题,影响抗震设计效果的因素.

1.地基选取不合理.

高层建筑应选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地,远离河岸,不应垮在两类土壤上,避开不利地形、不采用震陷土作天然地基,避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋.高层建筑的地基选取不恰当可能导致抗震能力差.

2.建筑物高度过高

根据我国现行的高层建筑混凝土结构技术规程规定,在标准的设防烈度和科学的结构形式下,高层建筑需要有合理的建设高度,只有在这种高度下,抗震设计才会稳定安全,但是,我国有不少建筑已经超过的高度限制,当遇到震力时,这些超高的建筑物的变形破坏性会发生很大的变化,因而会降低建筑物的抗震性能,同时,其它的不良的因素也会被诱发出来,导致结构设计和工程预算参数的改变.

3.材料选用不科学,结构体系不合理.

目前,我国建筑物主要是由钢筋混凝土组成的.因此,变形的控制与设计必须以钢筋混凝土结构的位移限值为准.但是,钢筋混凝土的弯曲变形侧移较大,如果利用钢框架来减少位移,不仅会增加钢筋的负荷,且无明显的辅助效果,为此,有时还必须加大混凝土的刚度或设置伸臂结构,这样才能勉强满足其位移控制标准.

三、、高层建筑抗震设计探讨

场地和地基的选择

建筑的场地以及地基的选择对于高层建筑的抗震能力具有直接的影响,是建筑抗震设计的基础.在进行建筑场地以及地基的选择时,应该充分的了解当地的地震活动情况,对当地的地质情况进行科学的勘察,在收集丰富资料的基础之上对场地进行综合的分析和评价,评估当地的抗震设计等级.对于一些不利于抗震设计的场地应该尽可能的进行规避,而实在无法规避的应该有针对性的做好相应的处理措施.在高层建筑地基选择过程当中应该尽可能的选择岩石或者是其它具有较高密实度的基土,从而提高建筑地基的抗震能力,尽可能的避开不利于抗震的软性地基土.对于一些达不到抗震要求的地基应该采取相应的措施进行加固和改造,使其能够符合相应的标准

选择合理的结构类型

高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构,垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系;水平荷载使结构产生弯矩.从受力特性看,垂直荷载方向不变,随建筑物的增高仅引起量的增加;而水平荷载可来自任何方向,当为均布荷载时,弯矩与建筑物高度呈二次方变化.从侧移特性看,竖向荷载引起的侧移很小,而水平荷载当为均布荷载时,侧移与高度成四次方变化.由此可以看出,在高层结构中,水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响,水平荷载是结构设计的控制因素,结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外,同时要求结构要有足够的刚度,使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范同内.

建筑结构材料的选择

结构材料选用也很重要.可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析,改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素,综合考虑了材料参数的变异性,地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响.在钢筋的使用上应该尽可能的选择韧性较高的产品.垂直方向受力钢筋应该选择热轧钢筋,等级至少达到HRB400级和HRB335级,而箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋.在进行建筑材料的选择过程当中应该充分考虑抗震的性能,但是在实际的建设过程当中还要兼顾建筑的成本和造价控制,尽可能通过科学合理的设计,在用尽可能少的材料达到最佳的抗震效果,在二者之间寻找一个最佳的位置.

4.消震和隔震措施设计

在我国,许多高层建筑进行抗震设计时,多采用延性结构,也就是适当控制建筑结构的刚度,允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态,从而消耗地震作用时的能量,使地震反应减小,减弱地震给高层建筑带来的破坏.如果某高层建筑的承载能力较小,但是具有较高的延性,那么在地震中它也不容易倒塌,因为延性构件可以吸收较多的能量,经受住很大的结构变形.延性结构的运用,在很多情况下是有效的,它可以消耗地震能量,减轻地震反应,使结构物“裂而不倒”.

进入20世纪以来,人们对建筑物抗振动能力的提高做出了巨大的努力,取得了显著的成果,其中阻尼器的使用在高层建筑的抗震方面有很大的作用.通过对使用阻尼器进行减震和能量的吸收,可以巧妙地避免或减弱地震对高层建筑的破坏.

5.设置多道抗震防线

高层建筑结构防震可以设置多道抗震防线,增强对地震的抵抗力.高层建筑物设置多层的地震抵抗防线,第一道防线遭到破坏之后,有后备的第二道、第三道甚至更多的防线对地震的作用力进行阻挡,避免高层建筑物的倒塌.高层建筑结构进行抵抗地震设计时,可以采用具有多个肢节和壁式框架的 ;“框架剪力墙”等防震结构.

框架剪力墙具有性能较好的多道防线抗震结构,其中的剪力墙是第一道抗震防线,也是主要的抗侧力构件.所以为保证它的承受能力较高,剪力墙要足够多.同时,为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用,任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力,不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5倍中两者的较小值.

随着经济的不断发展,我国的高层建筑将会不断增加.高层建筑结构的抗震是非常重要的一方面,在设计过程中,必须以抗震设防为目标,不断优化方案,对不同地区不同建筑采用不同的抗震方案,从而寻求最合理的抗震设计.

参考书目

[1]刘华新,孙志屏,孙荣书.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].辽宁工程技术大学学报,2007(02)

[2]李志.高层建筑抗震设计分析[J].中外建筑,2010(01)

[3]于险峰.高层建筑结构抗震设计[J].中国新技术新产品,2010(01)

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