高层建筑结构抗震设计

[摘 要]随着高层建筑的迅速发展,有关高层建筑结构的抗震设计问题越来越重要.本文对高层建筑结构抗震设计的问题进行研究,以寻找最好的高层建筑抗震设计的方法.

[关 键 词]高层建筑抗震设计

中图分类号:TU973.31文献标识码:A文章编号:1009-914X(2014)40-0211-01

引言

近年来,全国各地的高层建筑越来越多,高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多元化趋势,而且在高度上也将大幅度增长,尤其是我国处于地震多发区,高层建筑抗震设防更是工程设计所只面临的迫切任务之一.作为工程抗震设计的依据,高层建筑抗震分析处于非常重要的地位.

1建筑结构抗震等级的规定和标准

震级是根据地震的强度而进行划分的.在我国,地震划分为六个级别:3级为小地震,3~4.5级为有感地震,4.5~6级为中强地震,6~7级为强烈地震,7~8级为大地震,8级以上的巨大地震是国家根据相关的历史、地理和地质方面的经验资料,经过勘查和验证,对进行地震分组的一个经验数值,它是地域概念.在我国大部分的房屋抗震等级是8度,可以抵抗6级地震的作用.国家设计部门依据有关规定,按照建筑物的分类和设防标准,根据房屋高度、结构等方面,采用不同的抗震等级.

在高层建筑的抗震设计中,混凝土结构应根据建筑的高度、结构和设防的烈度采用不同的抗震等级,且应符合相应的计算和措施要求.

2我国高层建筑抗震设计中的问题

围绕高层建筑抗震分析和设计的主要内容,由于结构弹塑性分析的复杂性,在如何进行计算和设定具体要求的问题上,各国做法也有所不同.但是随着我国高层建筑的发展,我国高层建筑出现了许多问题需要研究解决.

(1)选用的材料和结构体系

在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视.我国150m以上的建筑,采用的三种主要结构体系(框一筒、筒中筒和框架一支撑体系),都是其他国家高层建筑采用的主要体系.但国外,特别在地震区,是以钢结构为主,而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%.如此高的钢筋混凝土结构及混合结构,国内外都还没有经受较大地震作用的考验.在高层建筑中采用框架―核心筒体系,因其比钢结构的用钢量少,又可减少柱子断面,故常被业主所看中.混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的震层剪力,有的高达90%以上.但因其弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增大了钢结构的负担,而且效果不大,有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值;此外,在结构体系或柱距变化时,需要设置结构转换层.因此在需要设置加强层及转换层时,要慎重选择其结构模式,尽量减小其本身刚度,减小其不利影响.


(2)轴压比与短柱问题

在钢筋混凝土高层建筑结构中,往往为了控制柱的轴压比而使柱的断面很大,而柱的纵向钢筋却为构造配筋.即使采用高强混凝土,柱断面尺寸也不能明显减小.

限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态,防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎,柱的塑性变形能力小,则结构的延性就差.当遭遇地震时,耗散和吸收地震能量少,结构容易被破坏.但是在框架中若能保证强柱弱梁设计,且梁具有良好延性,则柱子进入屈服的可能性就大大减少,此时可放松轴压比限值.另外,许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4,但并不一定是短柱.因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷.

(3)较低的抗震设防烈度

现在许多专家学者提出,现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要,认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”,并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”.此外,对于“小震不坏,中震可修,大震不倒”这个抗震设计原则,在新形势下也有重新审核的必要.

我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外,具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外,在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格.

3高层建筑抗震设计的方法

对高层建筑结构进行抗震设计时,要从减小地震作用力的输入和增强地震抵抗力两个方面进行考虑,进行建筑抗震的设计施工.下面将从五个方面进行分析:减小地震作用能量的输入,运用高延性设计、推广消震和隔震措施的运用,注重抗震结构的设计,重视建筑材料的选择,增多抗震防线的建设.

(1)减少地震发生时能量的输入

在具体的设计中,积极采用基于位移的结构抗震方法,对具体的方案进行定量分析,使结构的变形弹性满足预期地震作用力下的变形需求.对建筑构件的承载力进行验收的同时,还要控制建筑结构在地震作用下的层间位移限值;并且根据建筑构件的变形和建筑结构的位移之间的关系,确定构件的变形值;根据建筑界面的应变分布以及大小,来确定建筑构件的构造需求.

(2)运用高延性设计、推广消震和隔震措施

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”.

(3)注重抗震结构的设计

高层建筑抗震设计的结构应该得到人们的重视.我国150米以上的建筑,采用的三种主要结构体系(框―筒、筒中筒和框架―支撑体系),都是其他国家高层建筑采用的主要体系.我国钢材生产数量较大,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,改善结构的抗震性能.

(4)重视建筑材料的选择

在高层建筑的抗震方案设计中,建筑材料的选择也非常重要.首先,我们可以对建筑材料的参数进行抗震性能分析,从整体上对材料的参数变异性进行研究,不能仅考虑建筑材料的承载力而忽略其他因素.

(5)增多抗震防线

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.

结束语

经济与安全的关系,是结构抗震设计的重要技术政策.今后若干年,中国仍将是世界上修建高层建筑最多的国家,这将会给高层建筑抗震设防带来新的难题.如何解决安全问题,是今后每个设计研究人员都必须面临的问题.相信,在不久的将来能够实现高层建筑的抗震结构体系将从硬性为主向柔性为主的结构转变,通过“以柔克刚”的方式调整建筑结构构件的隔震、减震和消震,从而达到抗震目的.

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