時間:2023-08-20 14:46:38
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現今,我國的大部分城市內都是高樓聳立,對于高層建筑結構的設計是一項較復雜責任繁重的系統工程,尤其是抗震的結構設計,其設計的好壞將直接影響高層建筑的工程質量,特別是在地震多發區,因此,這就需要設計人員要充分認識高層建筑抗震結構設計中容易出現的問題,不斷進行總結和改進,以完善高層建筑的抗震結構設計。
1 高層建筑抗震結構設計中的常見問題
1.1 高層建筑的高度問題
根據我國現行的相關結構技術規定,在一定設防烈度和一定結構型式下,鋼筋混凝土高層建筑要有一個適宜的高度。也就是說,在這個高度的范圍內,建筑的抗震性能是比較可靠地,但是目前,存在少數的高層建筑的高度超過了規定的范圍,如果在地震力的作用下,極易改變超過限制的高層建筑物的變形破壞性態以及其他影響因素,那么就會大大降低高層建筑的抗震能力,對于抗震結構設計的一些相關參數也要重新選取。
1.2 結構體系以及建筑材料的選用
結構體系以及建筑材料的選用對于高層建筑的抗震性能具有非常重要的意義,尤其是在地震的多發區,更應該重視科學合理的結構體系以及建筑材料的選用。在我國,多部分的高層建筑結構體系是鋼筋混凝土核心筒以及混合結構為主,所以對于變形的控制通常要以這種結構的位移值為基準。但是,這種情況下,如果發生彎曲變形,導致的側移會比較大,進而增加鋼結構的承受壓力,為了保證效果,使其控制在規范的側移值內,通常需要設置伸臂結構或加大混凝土筒的剛度。
1.3 抗震設防烈度過低
根據可靠的數據以及專家分析,我國現行的高層建筑抗震的結構設計的安全度遠遠不能滿足社會的需求,有數據顯示,我國的高層建筑抗震實際的安全度很可能是世界上最低的一個國家。在經濟科技都快速發展的情況下,我國的高層建筑抗震結構的設計原則,即“小震不壞,中震可修,大震不倒”,在這種新形勢下,有必要進行重新的修訂。由于我國現行的高層建筑抗震結構的設防標準過低,由于其結構失效,經常會導致嚴重的后果。
1.4 軸壓比與短柱問題
在高層建筑結構設計中,如果是采用鋼筋混凝土的結構體系中,為了控制柱的軸壓比,增加柱的橫斷面,而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋。對柱的軸壓比進行限制主要是為了使柱子處于較大的偏壓狀態下,避免受拉鋼筋的破損,進而降低高層建筑的整體結構延性。
2 高層建筑抗震結構設計的原則以及基本方法
2.1 抗震結構的設計原則
2.1.1 結構設計的整體性
高層建筑的樓蓋對于其結構的整體性占據著不可或缺的位置。樓蓋就類似于一個橫向的水平隔板,將慣性力聚集起來,并向各個豎向抗側力的子結構傳遞,尤其是當這些子結構的布置不均勻或過于復雜時,樓蓋就可以很好的將這些抗側力子結構組織起來,進行協同合作,來承受地震的作用。
2.1.2 結構設計的簡單性
高層建筑結構設計的簡單性主要是指在地震的作用下,具有極其明確清晰的直接傳力方式。在相關的規范中對于結構體系有明確的要求,即結構體系要有明確的計算簡圖以及合理的地震作用傳遞途徑。換句話說,只有高層建筑結構的設計越簡單,才能夠分析出結構的計算模型、內力以及位移,進而提高對高層建筑結構的抗震性能的預測的可靠性。
2.2 抗震結構的設計方法
2.2.1 基于水平位移的抗震結構設計
基于水平位移的抗震結構設計主要是為了使結構的變形能力能夠保持在預期的地震作用下(通常是在大地震的情況下)的變形要求。此外,要根據界面的應變大小以及分布,來確定建筑的構件標準,同時在確定構件的變形值時,要以構件的變形以及其與結構位移的關系來確定。首先,要充分研究高層建筑的一些簡單結構的構件變形,以及其與配筋的關系,嚴格按照變形的要求來設計合理的構件,進而對建筑的整體結構進入彈塑性后的變形與構件變形的關系。因此,這時就要設計在大地震的作用下的變形,這也將是高層建筑抗震結構的未來的發展趨勢。
2.2.2 推廣使用隔震和消能減震設計
現今,在高層建筑的抗震設計中,多采用的是傳統的抗震結構體系,也就是延性結構體系,主要是控制建筑結構的剛度,如果發生地震,就會使建筑的構件進入非彈性的狀態中,使其具有較大的延性,進而有助于地震作用下的能量的消耗,盡可能的減小地震效應,避免建筑物的倒塌。此外,通過采用相關的隔震措施,如軟墊隔震、擺動隔震以及滑移隔震等,可以改變高層建筑的動力特性,進而減少所受到的地震能量的作用,同時通過采用高延性構件,也可以增加高層建筑結構的耗能能力,有助于減輕地震效應。
2.2.3 降低高層建筑結構的自重
如若是在相同的地基承載能力條件下,降低高層建筑結構的自身重量可以使在不增加地基以及其造價的情況下,可以在相關的規定范圍內,尤其是在軟土層的地基上,可以增加高層建筑的層數。研究顯示,由于高層建筑的高度很大,重心也相應較高,所以,建筑的重量越大,受地震作用的傾覆力矩的效應就越大。
因此,在高層建筑的抗震結構設計中,要盡量采用輕質材料來填充高層建筑物的填充墻及隔墻。
2.2.4 設置多道抗震防線
通常在地震后都會伴有多次的余震,那么對于高層建筑結構如果只設置一道抗震防線,往往會只因首次的強烈地震就會遭到嚴重的破損,甚至倒塌。因此,有必要對高層建筑設置多道抗震防線。在一個高層建筑的抗震體系下,應該由多個延性較好的分體系組成,當第一道抗震防線遭到沖擊時,其他的抗震防線便能夠接替第一道防線繼續抵擋隨后的地震沖擊,通過多道防線的協同合作,可有效地防止高層建筑的倒塌。
3 高層建筑抗震結構設計的前景
雖然我國的高層建筑水平穩步的提升,但是在高層建筑抗震的結構設計中仍然面臨很多新的問題和挑戰。其中,首先對于影響高層建筑抗震結構的設計效果的關鍵因素就是建筑材料的選用,提高每一項建筑材料的抗震指標可以很好地提高高層建筑的整體抗震性能,因此,科研人員要加強對于新型復合高性能的建筑材料的研發,以促進抗震技術,進而滿足高層建筑抗震結構設計的需求。其次,對于不同的抗震能力的需求,要采取相應的抗震措施,設置是對于同一個高層建筑的不同部位和樓層以及對于性能的要求不同時,都要選用不同的標準的構件。因此,高層建筑抗震結構的設計人員在實際工作中,要根據自身的專業水平知識以及實際經驗,并結合對具體的高層建筑的抗震性能要求及措施,來設計出符合抗震設防烈度標準的高層建筑結構。另外,高層建筑的抗震結構體系也開始逐漸以柔性為主,而不在是傳統中的以硬性為主的結構體系。最后,對于高層建筑抗震結構的計算方式也發生了改變,即從線性分析向非線性分析轉變,從確定性分析向非確定性分析轉變,從振型分解反應分析向時程分析法轉變。
4 總結:
綜上所述,高層建筑的抗震結構設計是整個建筑工程的關鍵環節,但是在我國高層建筑的抗震結構設計上處于起步階段,仍需要進一步的完善。因此,設計人員用綜合多方面的因素進行分析,同時,結合新型的高性能材料以及抗震結構理念,以提高高層建筑抗震結構的設計水平,進而促進我國高層建筑的抗震結構設計方法的發展。
參考文獻:
中圖分類號:TU97文獻標識碼: A
前言
近年來,由于人類對于自然環境的不斷破壞,各類自然災害發生的較為頻繁。地震作為自然災害中一種,其突發性和破壞性對人類的生存安全及社會的穩定造成了很大的影響。通過對近幾年地震中的傷亡原因進行統計表明,由于地震所引發的次生災害--房屋倒塌,成為地震中對人類的安全及經濟損失影響最大的因素。所以當前對于建筑物的設計,特別是在設計高層建筑時,其結構抗震設計是十分關鍵的,對于減輕地震災害具有十分重要的意義。基于此,下文主要針對高層建筑,就其抗震結構設計進行探析。
一、建筑物抗震結構簡介
建筑結構是建筑物中能承受水平和豎向作用的骨架,包括上部結構設計和基礎設計。結構工程師或者其它相關專業人士通過在建筑設計原有基礎上增加部件或者器械以增加建筑物整體的抗震能力,這就是建筑物抗震結構設計。進行抗震設計的建筑,其基本抗震設防目標是:當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時,主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用;當遭受低于本地區抗震設防烈度的設防地震影響時,可能發生損壞,但經一般性修理仍可繼續使用;當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時,不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。此設防目標的通俗說法是:小震不壞、基本地震可修、大震不倒。使用功能或其他方面有專門要求的建筑,當采用抗震性能化設計時,具有更具體或更高的抗震設防目標。
二、高層建筑抗震設計
10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24米的其他民用建筑為高層建筑。地震災害對建筑物造成的傷害程度隨著地震的強度、建筑物地基的堅實程度而變化,要做到降低建筑物受到地震后的損壞,只能在建筑過程或者建筑設計階段增加建筑物的抗震能力。而建筑物受到地震傷害的程度也會隨著樓層的增加而增大。建筑物抗震設計最主要的方向就是將建筑物經過改造以后能夠對地震作用于建筑物的力產生與之對抗的力。兩種力相互抵消,才能夠達到這個目標。
三、上部結構的抗震
上部結構主要從建筑承受荷載與結構布置、體系以及結構分析四點做說明。
1.荷載以及建筑物外力
建筑的荷載和外力主要是指建筑物施工完成后,能夠使建筑的整體或局部發生形變的影響因素。建筑物的荷載和外力主要分為建筑物橫向受力、橫向荷載,建筑物縱向外力、縱向荷載等。這兩種類型是建筑物自身所產生的一種內力,除此之外,建筑物還會受到外力的影響。按照受力時間的長短可以分為長期作用在建筑物上的力和臨時作用在建筑物上的力兩種。不管是建筑物自身的內力還是建筑物所受的外力都應該在建筑物設計的標準范圍內,否則,建筑物就會因為長期承受超負荷的力而發生形變甚至倒塌,對使用者造成巨大的傷害和經濟損失。
2.建筑形體及其構件布置
建筑布置對結構的規則性影響重大,抗震性能良好的建筑,需要建筑師與結構工程師的相互配合。建筑形體及其構件布置應避免形成平面和豎向的不規則。結構平面布置的關鍵是避免扭轉并確保水平傳力途徑的有效性,應使結構的剛度中心與質量中心一致或基本一致。否則,地震時將使結構產生平東與扭轉偶聯振動,使遠離剛度中心的構件側向位移及所分擔的地震剪力明顯增大,產生較嚴重的破壞。因此,對每個結構單元應盡量采用方形、矩形、正多邊形、橢圓形等簡單規則的平面形狀,避免主要抗側力構件的偏置。結構立面和剖面布置的關鍵是避免承載力及樓層剛度的突變,避免出現薄弱層并確保豎向傳力途徑的有效性。應使結構的承載力和豎向剛度自下而上逐步減小,變化均勻、連續,不出現突變。否則,在地震作用下某些樓層或部位將形成軟弱層或薄弱層而加重破壞。因此,建筑立面應盡量采用矩形、梯形、三角形等均與變化的幾何形狀,避免采用帶有突然變化的階梯型立面。
3.結構體系
抗震結構應采用合理經濟的結構類型,結構方案選取是否合理對安全和經濟起主要作用。抗震結構體系要求受力明確、傳力合理且傳力路線不間斷,使結構的抗震分析更符合結構在抗震時的實際表現,且對提高結構的抗震性能十分有利,是結構選型與布置結構抗側力體系時應首先考慮的因素之一。結構的抗震能力需要強度、剛度和變性能力的統一,即抗震結構體系應具備必要的強度和良好變形耗能能力,僅有強度和缺乏足夠的延性時,在強烈的地震下很容易破壞;雖有較好的延性而強度不足時,在強烈地震下必然產生很大的變形、破壞嚴重甚至倒塌。
4結構分析
結構分析是結構設計的前提,是結構設計的重要依據性工作,采用合理的計算模型和計算假定,正確選用計算程序,必要時的多模型多程序比較分析等對結構設計關系重大。振型分解反應譜法是目前結構抗震設計計算的主要方法,底部剪力法是一種簡化的計算方法,隨著計算機應用的普及,底部剪力法在實際工程中的應用正逐漸減少,在方案及初步設計中常用。時程分析法作為振型分解反應譜法的補充計算方法,在工程中的應用越來越普遍。
四、基礎結構的抗震作用
基礎是加載在地基之上,以地基為基礎,用來承受整個建筑物的一種抗震結構。基礎結構是針對于整個建筑物而言的,在建筑物的地基上加建基礎結構能夠有效的防止建筑物在遭遇地震后產生的位移和塌陷等現象。為此,基礎必須是在有足夠承載能力的地基之上建設。由于建筑物的高度決定了整個建筑物的質量和若是發生位移以后的位移量,基礎結構的抗震效果主要體現在當建筑物遭遇地震時,建筑物塌陷能夠均勻下沉而不是局部塌陷,有效的防止了建筑物由于局部塌陷而導致的樓體坍塌等問題。
五、隔震結構的設計
以往的高層建筑抗震能力較差,在遭遇地震災害以后,整個建筑物的主要受力結構會受到損傷,從而影響建筑物的功能使用。現代的高層建筑物為了能夠有效的降低建筑物主要受力結構的損傷,保證建筑物的功能正常,會在建筑設計階段給建筑物設計一種有效的抗震結構,即隔震結構。這種結構之所以被稱之為隔震結構,主要是由于它能夠使建筑物在遭遇地震災害時地震作用在建筑物上的力最大程度的隔離在建筑物以外,使建筑物承受的只是地震產生力的一小部分,極大的降低高層建筑在地震中受到的損傷。同時,在下層樓層中加入這種隔震結構,能夠有效的阻止地震能量向建筑物高層傳遞,在一定程度上能夠對高層建筑起到較大的保護作用。
1.隔震結構在地基中的設計
地基作為承受整個建筑物的載體,在地基當中使用隔震結構能夠使建筑物在發生地震時,將地震所產生的能量在地基階段就被阻擋在地下;也可能是因為隔震結構的緩沖作用極大的降低了這些能量從而保護了建筑物。
2.隔震結構在樓層中的設計
與1所述一樣,在樓層中是用隔震結構將地震產生的能量阻隔在建筑物底層,或者抵消很大一部分能量,使高層不受或者很少受到這種能量的沖擊。
結語
我國是地震高發地區,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難面前經受住了嚴峻的考驗,這說明只要嚴格按照抗震設計規范來建造的建筑是能保障人民的生命財產安全的。然而高層建筑在地震時的損壞還是超出了我們的預期,因此高層建筑抗震設計是建筑物安全考慮的重要問題。現在我們抗震規范要求“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三個水平的設防目標,以上是建筑設計抗震最低要求,而我們在進行高層建筑結構抗震設計中,要結合地區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先考慮的。
1 建筑抗震的理論分析
擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀10~40年展起來的一種理論,它在估計地震對結構的作用時,僅假定結構為剛性,地震力水平作用在結構或構件的質量中心上。地震力的大小當于結構的重量乘以一個比例常數(地震系數)。
反應譜理論。反應譜理論是在加世紀40~60年展起來的,它以強地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動特性的進一步了解,以及結構動力反應特性的研究為基礎,是加理工學院的一些研究學者對地震動加速度記錄的特性進行分析后取得的一個重要成果。
動力理論。動力理論是20世紀70-80年廣為應用的地震動力理論。它的發展除了基于60年代以來電子計算機技術和試驗技術的發展外,人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解,同時隨著強震觀測臺站的不斷增多,各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論,它把地震作為一個時間過程,選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入,建筑物簡化為多自由度體系,計算得到每一時刻建筑物的地震反應,從而完成抗震設計工作。
2 高層建筑抗震概念設計
目前我們對地震還知之甚少,建筑結構抗震設計理論目前還是以試驗與簡化后的理論結合來制定的,還有不少不足和待完善的地方,所以在結構抗震設計時常常通過軟件數值計算,但只能從局部來解決。而結構抗震概念設計的目標是建筑物的整體結構在地震時能夠發揮耗散地震能量的作用,通過結構合理布局,選擇延性好,耗能強的結構體系來達到抗震設防目標。就是我們常說的強柱弱梁,強剪弱彎,強節點弱構件,這就要求我們考慮以下幾個方面: 1) 要求采用受力明確,傳力簡單的結構體系; 2) 采取相應的抗震構造措施如加構造柱,圈梁,加強層,轉化層等來達到抗震要求; 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實現對高層建筑結構體系抗震性能的合理控制。
3 場地與基礎
地震造成建筑的破壞首先考慮場地與基礎,因場地造成的工程的震害是很難恢復以及處理的,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濟合理。對高層建筑抗震地基優先選擇淺基礎,并且同一結構體系不宜設在不同性質的地基上,同一建筑不宜采取兩種以上的不同基礎,同時要考慮建筑結構上部體系與地基基礎相互作用關系。
4 選擇良好的抗震結構體系
1) 高層建筑結構抗震體系選擇不同于其他建筑布局,除了簡單合理的結構布置,考慮其規則與對稱,避免出現扭轉與失衡情況,因此豎向結構布置應有規則的均勻變化,從上而下結構剛度逐漸變小,如果由于建筑要求而發生平面,剛度以及承載力局部的突變變為不規則體系時,我們要根據地震規范與高規以下幾個方面來判斷其是否規則: a. 扭轉不規則; b. 抗扭剛度弱; c. 層剛度小; d. 平面不規則; e. 樓板不規則; f. 豎向剛度不規則,滿足其中一項為不規則,滿足其中三項為特別不規則,對于不規則結構要采取抗震措施來加強薄弱層的抗震性能,要進行超限高層建筑高層抗震設防的專項審查,此外對于多項指標超過抗震規范3. 4. 4 條為嚴重不規則建筑,應該與建筑設計人員溝通最好改變設計方案。2) 多道抗震設防。控制同一結構各構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,使整個結構壞而不倒。為了避免因局部失效或者薄弱層而引起結構的破壞,要求結構體系由延性好的不同結構體系形成剛性的超靜定結構來共同工作以抵抗地震破壞。要求結構體系良好的整體性和變形能力,當第一道抗震防線遭受超過它設防要求而破壞,第二道防線作為下一道屏障對結構體系進行保護。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,結構就不是多道防線的結構體系。從以上可以看出房屋的倒塌由于抗側力構件不能承受荷載作用力,當采用多道抗震設防時,可以適當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計需重點關注的地方,根據材料的規格尺寸,剛度,變形能力,使用功能和建筑的美學的要求,致使建筑結構體系會突破常規要求,出現豎向和平面變化比較大的結構體系而成為相對的抗震薄弱環節,在罕見地震荷載作用下率先出現屈服,而發生彈塑性非線性變形,造成建筑的破壞,這里要強調三點: a. 薄弱層只是在強震情況下考慮的結構彈塑性變形問題。b. 要對結構從整體上進行受力分析,而避免只是考慮部分薄弱層受力與變形。c. 由于結構是不是薄弱層只是一個相對概念,因此常常因為設計施工或者材料的變化導致薄弱層的改變,在此控制薄弱層位置發生轉移而又能達到它的變形能力,這是控制結構抗震性能最關鍵的。
5 非結構構件抗震設計
除承重結構以外的固定構件都是非承重結構,雖然非承重結構在建筑中只是附件非關鍵結構,但在屢次的震害過程中非結構造成的人員與財產損害已屢見不鮮了。非結構構件抗震要求以下幾點: 1) 先分清哪些是非結構構件,如屋頂的裝飾屬于結構構件與否并不好界定,這種情況一般按結構構件處理。2) 非結構體系對結構體系影響,對于設備作用在其結構主體上的非結構構件應計算設備的重力,與結構柔性連接的非結構可以不計其剛度,但當有專門構造措施可計入抗震承載力,同時要考慮非結構上作用的力對建筑結構的作用,并且相互的聯系要滿足錨固要求。3) 非構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的非結構構件,要計入地震時支撐點之間相對的位移產生的作用效應,非構件在位移方向的剛度要根據其端部實際聯系分別根據不同的連接方式采用不同的力學模型。
6 結語
高層建筑設計前的地質勘察是建筑是否成功的前提,接著根據地勘報告設計建筑方案是關鍵一步,建筑物設計是否有良好的抗震效果主要在建筑方案體現,接著是施工圖設計,它是把建筑思想變為現實最重要的一步,也是高層建筑結構設計抗震性優劣的十分重要的具體體現,設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,設計高層建筑物時,要注意建筑物的結構布置問題,盡量保證質心與剛心重合、重心與質心重合、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建筑的等級來考慮安全指數。從一開始地區規劃,地質勘查以及后來的建筑結構設計,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鍵原因。
參考文獻:
中圖分類號:[TU208.3]文獻標識碼:A文章編號:
1 高層建筑發展概況與存在問題
80年代,是我國高層建筑在設計計算及施工技術各方面迅速發展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑,建筑層數和高度不斷增加,功能和類型越來越復雜,結構體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有上海錦江飯店,它是一座現代化的高級賓館,總高153.52m,全部采用框架一芯墻全鋼結構體系,深圳發展中心大廈43層高165.3m,加上天線的高度共185.3m,這是我國第一幢大型高層鋼結構建筑。進入90年代我國高層建筑結構的設計與施工技術進入了新的階段。不僅結構體系及建筑材料出現多樣化而且在高度上長幅很大有一個飛躍。深圳于1995年6月封頂的地王大廈,81層高,385.95m為鋼結構,它居目前世界建筑的第四位。
我國高層建筑的結構材料一直以鋼筋混凝土為主。隨著設計思想的不斷更新,結構體系日趨多樣化,建筑平面布置與豎向體型也越來越復雜,出現了許多超高超限鋼筋混凝土建筑,這就給高層建筑的結構分析與設計提出了更高的要求。尤其是在抗震設防地區,如何準確地對這些復雜結構體系進行抗震分析以及抗震設計,已成為高層建筑研究領域的主要課題之一。
2 建筑抗震的理論分析
2.1 建筑結構抗震規范
建筑結構抗震規范實際上是各國建筑抗震經驗帶有權威性的總結,是指導建筑抗震設計(包括結構動力計算,結構抗震措施以及地基抗震分析等主要內容)的法定性文件它既反映了各個國家經濟與建設的時代水平,又反映了各個國家的具體抗震實踐經驗。它雖然受抗震有關科學理論的引導,向技術經濟合理性的方向發展,但它更要有堅定的工程實踐基礎,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點冒險和不實。正是基于這種認識,現代規范中的條文有的被列為強制性條文,有的條文中用了“嚴禁,不得,不許,不宜”等體現不同程度限制性和“必須,應該,宜于,可以”等體現不同程度靈活性的用詞。
2.2高層建筑結構抗震結構設計分析
設計階段的結構動力特性分析。高層建筑進入初步設計階段后,首先按方案階段確定的結構布置進行計算分析。計算模型取自±0. 000至塔頂,假定樓板為平面內剛度無限大,其地震反應分析基本參數列于,以及可以看出,隨著樓層高度的增加,結構X方向(縱向)自振周期及地震力基本正常,而結構Y方向(橫向)自振周期偏長、結構剛度偏低,對應于水平地震作用的剪力較小,結構的抗震能力偏弱,結構偏于不安全。為增加Y方向(橫向)的抗側移剛度,提高其抗震能力,在現代高層建筑的設計中,可以在建筑核心筒的兩側增設四道剪力墻。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001),抗震設計時,框架-剪力墻結構中剪力墻的數量必須滿足一定要求,在地震作用時剪力墻作為第一道抗震防線必須承擔大部分的水平力。但這并不意味著框架部分可以設計得很弱,而是框架部分作為第二道防線必須具備一定的抗側力能力,在大震作用下第一道抗震防線剪力墻遭受破壞時,整個結構仍具備一定的抵抗能力,不至于立即破壞倒塌,這就需要在結構計算時,對框架部分所承擔的剪力進行適當調整。
3結構抗震設計方法探討。
3.1結構抗震設計的基本步驟。
對建筑抗震的三個水準設防要求,是通過“兩階段”設計來實現的,其方法步驟如下:第一階段設計:第一步采用與第一水準烈度相應的地震動參數,先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應,與風、重力荷載效應組合,并引入承載力抗震調整系數,進行構件截面設計,從而滿足第一水準的強度要求;第二步是采用同一地震動參數計算出結構的層間位移角,使其不超過抗震規范所規定的限值;同時采用相應的抗震構造措施,保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段設計:采用與第三水準相對應的地震動參數,計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節)的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規范的限值,并采用必要的抗震構造措施,從而滿足第三水準的防倒塌要求。
3.2結構抗震設計方法
3.2.1基礎的抗震設計
基礎是實現高層建筑安全性的重要條件。我國高層建筑通常采用鋼筋混凝土連續地基梁形式,在基礎梁的設計中,為充分發揮鋼筋的抗拉性和混凝土的抗壓性的復合效應,把設計重點放在梁的高度和鋼筋的用量上,在鋼筋的布置上采用主筋、腹筋、肋筋、基礎筋、基礎輔筋5種鋼筋的結合。為防止基礎鋼筋的生銹,一方面采用耐酸化的混凝土,另一方面是增加鋼筋表面的保護層厚度,以抑止鋼筋的腐蝕。高層建筑基礎處理的另一個特色是鋼制基礎結合墊塊的應用,它是高層建筑上部結構柱與基礎相連的重要結構部件。它的功能之一是使具有吸濕性的混凝土基礎和鋼制結構柱及上部建筑相分離,有效防止結構體的銹蝕,確保部件的耐久性。
3.2.2鋼結構骨架的抗震設計
采用鋼框架結合點柱壁局部加厚技術來提高結構抗震性能。一般鋼框架結構,梁和柱結合點通常是柱上加焊鋼制隅撐與梁端用螺栓緊固連接。在這種方式下,鋼柱必須在結合部被切斷,加焊隅撐后再結合,這樣做技術上的不穩定性和材料品質不齊全的可能性很大,而且遇到大地震,鋼柱結合部折斷的危險性很大。鑒于此,可以首先該結構的梁柱采用高密度鋼材,以發揮其高強抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免斷柱形式,對二、三層的獨立住宅而言,結構柱可以一貫到底,從而解決易折問題。與梁結合部柱壁達到兩倍厚,所采用的是高頻加熱引導增厚技術。在制造過程中品質易下降的鋼管經過加熱處理反而使材料本來所具有的拉伸強度得以恢復。對于地震時易產生的應力集中,柱的增厚部位能發揮很大的阻抗能力,從而提高和強化了結構的抗震性。
3.2.3墻體的抗震設計
“三合一”外墻結構體系,首先是由日本專家設計應用的,采用外墻結構柱與兩側外墻板鋼框架組合形成的“三合一”整體承重的結構體系。該體系不僅僅用柱和梁來支撐高層建筑,而是利用墻體鋼框架與結構柱結合,有效地承受來自垂直方向與水平方向的荷載。由于外墻板鋼框架的補強作用,該做法可以較好地發揮結構柱設計值以外的補強承載力。加強了對豎向地震力及雪荷載的抵抗能力,最大限度地發揮其抗震優勢;另一方面,由于外墻板鋼框架與內部斜拉桿所構成“面”承載與結構柱的結合并用,也提高了整體抗側推力和抗變形能力。它的抗水平風載和地震力的能力比單純墻體承重體系提高30%左右。
4增大結構抗震能力的加固與改造技術
建國幾十年來,我國的抗震加固與改造技術得到了飛速發展。1976年唐山地震后,砌體結構抗震加固的問題日益突出,砌體結構抗震性能不好:砌體墻體抗震能力、變形性能的不足、房屋整體性不好。因此,增大墻體抗震性能的外包鋼筋混凝土面層、鋼筋網水泥砂漿面層加固技術及增大結構整體性的壓力灌漿加固技術、增設圈梁(構造柱)加固技術、拉結鋼筋加固技術;通過增設抗震墻來降低抗震能力薄弱構件所承受地震作用的增設墻體技術等應運而生。目前該技術廣泛用于砌筑墻體的加固。
常見的混凝土柱加固技術有加大截面加固技術、外包鋼加固技術、預應力加固技術、改變傳力途徑加固技術、加強整體剛度加固技術、粘鋼加固技術以及碳纖維加固技術等。這些絕大部分都是經過長期實踐檢驗可靠性比較高的技術,已收入國家標準《混凝土結構加固技術》(cecs25—90)。此類技術不僅有比較充分的理論依據,規范還提供了詳細的計算公式。如混凝土柱的外包鋼法加固技術,開始階段的計算方法是分別計算混凝土柱和外包鋼,外包鋼按鋼結構計算:當外包裝的綴板加密并出現濕式的施工方法時,其計算按整體構件考慮;當綴板施加。
5結語
高層建筑已經逐漸成為當前時代建筑發展的主流建筑形態之一,對于高層建筑,其抗震效能的分析一直是國內外建筑抗震設計分析的研究熱點,而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設計階段進行結構抗震設計,只有從高層建筑物內部實施結構抗震,才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。本論文從高層建筑結構設計的角度進行了抗震分析,對于具體的高層建筑抗震設計具有一定指導和借鑒意義。
參考文獻:
一、抗震設計的理論分析
(一)擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀10~40年展起來的一種理論,它在估計地震對結構的作用時,僅假定結構為剛性,地震力水平作用在結構或構件的質量中心上。地震力的大小當于結構的重量乘以一個比例常數(地震系數)。
(二)反應譜理論。反應譜理論是在加世紀40~60年展起來的,它以強地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動特性的進一步了解,以及結構動力反應特性的研究為基礎,是加理工學院的一些研究學者對地震動加速度記錄的特性進行分析后取得的一個重要成果。
(三)動力理論。動力理論是20世紀70-80年廣為應用的地震動力理論。它的發展除了基于60年代以來電子計算機技術和試驗技術的發展外,人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解,同時隨著強震觀測臺站的不斷增多,各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論,它把地震作為一個時間過程,選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入,建筑物簡化為多自由度體系,計算得到每一時刻建筑物的地震反應,從而完成抗震設計工作。
二、 高層建筑結構抗震設計的基本方法
減少地震能量輸入。積極采用基于位移的結構抗震設計,要求進行定量分析,使結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求。除了驗算構件的承載力外,要控制結構在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比;根據構件變形與結構位移關系,確定構件的變形值;并根據截面達到的應變大小及應變分布,確定構件的構造要求。對于高層建筑,選擇堅硬的場地土建造高層建筑,可以明顯減少地震能量輸入減輕破壞程度。錯開地震動卓越周期,可防止共振破壞。推廣使用隔震和消能減震設計。目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震結構體系是“延性結構體系”,即適當控制結構物的剛度,但容許結構構件在地震時進入非彈性狀態,并具有較大的延性,以消耗地震能量,減輕地震反應,使結構物“裂而不倒”。采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震、懸吊隔震等措施,改變結構的動力特性,減少地震能量輸入,減輕結構地震反應,是一種很有前途的防震措施。提高結構阻尼,采用高延性構件,能夠提高結構的耗能能力,減輕地震作用,減小樓層地震剪力。隨著社會的不斷發展,對各種建筑物和構筑物的抗震減震要求越來越高,地震控制體系具有傳統抗震體系所難以比擬的優越性,在未來的建筑結構中將得到越來越廣泛的應用。在高層建筑的方案設計階段,結構材料選用也很重要。可以對材料參數隨機性的抗震模糊可靠度進行分析,改變過去對結構抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素,綜合考慮了材料參數的變異性,地震烈度的隨機性及烈度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。從抗震角度來說,結構體系的抗震等級,其實質就是在宏觀上控制不同結構的廷性要求。這要求我們應根據建設工程的各方面條件,選用符合抗震要求又經濟實用的結構類別。
三、正確認識高層建筑的受力特點,選擇合理的結構類型高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構,垂直荷載主要使結構產生軸向力與建筑物高度大體為線性關系;水平荷載使結構產生彎矩。
從受力特性看,垂直荷載方向不變,隨建筑物的增高僅引起量的增加;而水平荷載可來自任何方向,當為均布荷載時,彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看,豎向荷載引起的側移很小,而水平荷載當為均布荷載時,側移與高度成四次方變化。由此可以看出,在高層結構中,水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響,水平荷載是結構設計的控制因素,結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外,同時要求結構要有足夠的剛度,使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。高層建筑有上述的受力特點,因此設計中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下,選擇切實可行的結構類型,使之在特定的物資和技術條件下,具有良好的結構性能、經濟效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結構類型主要有鋼結構和鋼筋砼結構。鋼結構具有整體自重輕,強度高、抗震性能好、施工工期短等優點,并且鋼結構構件截面相對較小,具有很好的延性,適合采用柔性方案的結構。其缺點是造價相對較高,當場地土特征周期較長時,易發生共振。與鋼結構相比,現澆鋼筋砼結構具有結構剛度大,空間整體性好,造價低及材料來源豐富等優點,可以組成多種結構體系,以適應各類建筑的要求,在高層建筑中得到廣泛應用,比較適用于提供承載力,控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大,抵抗塑性變形能力差,施工工期長,當場地土特征周期較短時,易發生共振。因此,高層建筑采用何種結構形式,應取決于所有結構體系和材料特性,同時取決于場地土的類型,避免場地土和建筑物發生共振,而使震害更加嚴重。
Abstract: This paper analyzes the irregular plane high-rise structure determination method, proposes the optimization design method of the high-rise structure based on performance, and finally does the elastic plastic analysis and contractions of the project practical scheme before and after optimization.
Key words: high-rise building; seismic; structure design
中圖分類號: TU973文獻標識碼:A 文章編號:2095-2104(2012)
平面規則性對建筑結構的抗震性能具有重要的影響,國內外大量的震害表明: 結構平面不對稱、不規則、不連續易使結構發生扭轉破壞,嚴重者可導致整個結構破壞倒塌。因此平面布置力求簡單、規則、對稱,避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位; 避免在凹角和端部設置樓電梯間; 避免樓電梯間偏置,以免產生扭轉的影響。建筑的結構平面布置應做到結構的兩個主軸方向的動力特性相近,滿足平面規則、樓板連續的規則性要求,應弱化平動剛度、強化抗扭剛度,控制地震作用下結構扭轉激勵振動效應不成為主振動效應,避免結構扭轉破壞。薄弱部位要加強抗震計算措施和抗震構造措施,增強薄弱部位混凝土的約束,推遲塑性鉸出現,提高延性,從而實現預定的抗震設防目標。建筑抗震設計規范中將高層鋼筋混凝土結構平面不規則分為扭轉不規則、凹凸不規則及樓板局部不連續三種類型,并分別給出了明確的定義,規定了一些定量的界限,即樓層的最大彈性水平位移(或層間位移),大于該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移) 平均值的 1.2 倍為扭轉不規則,結構平面凹進的一側尺寸,大于相應投影方向總尺寸的 30% 為凹凸不規則,樓板的尺寸和平面剛度急劇變化,例如,有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的 50%,或開洞面積大于該層樓層面積的 30%,或較大的樓層錯層為樓板局部不連續。但在工程實際中,由于建筑類型繁多,并追求建筑功能的多樣性,還存在很多引起建筑結構不規則的因素,例如建筑型體復雜多變,具有轉換層、加強層、錯層和多塔、連體的高層混凝土結構,很難全部用這些簡化的定量指標來劃分其不規則程度并規定限制范圍。
《抗震設計規范管理組的統一培訓教材》中對混凝土結構規則與不規則性進行了具體的總結和歸納,細化了平面不規則建筑方案的基本類型并分別賦予其簡要涵義,明確其主要定量界限,即扭轉不規則(按非柔性樓蓋考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2),偏心布置(偏心距大于0.15 或相鄰層質心相差較大),凸凹不規則(平面凸凹尺寸大于相應邊長 30% 等,含穿層柱),組合平面(細腰形或角部重疊形),樓板不連續(有效寬度小于50%,開洞面積大于 30%(不計電梯井道,但深凹口加設連梁仍按凸凹不規則判別),錯層大于梁高) 。
同時,還應注意: 當建筑平面有深凹口,即使在凹口處設置連梁,但該部位的樓板不足以視為剛性樓板,只能作為彈性板計算時,則仍處于凸凹不規則,不能因設置連梁而作為樓板開洞處理。設防烈度不同,上述不規則建筑方案的界限相同,但設計要求有所不同。烈度越高,不僅僅是需要采取的措施增加,體現各種概念設計的調整系數也要加大。
大量震害表明,存在凹凸不規則、樓板不連續的結構在地震作用下,由于受力復雜、傳力不明確,易造成結構局部薄弱部位率先發生破壞,嚴重者甚至導致整個結構倒塌。國內外許多大型振動臺試驗的觀測結果顯示,平面不規則結構易產生扭轉振動并發生扭轉脆性破壞。
1 高層建筑抗震結構設計
建筑的抗震設計依賴于設計人員的抗震設計理念,抗震設計由抗震計算和抗震措施兩個不可分割的部分組成,且良好的概念設計是建筑結構抗震性能的決定因素。而抗震性能化設計,是建立在概念設計基礎上的抗震設計新發展。
地震作用時,當結構受到扭矩作用,離剛心越遠的豎向構件所承受的水平剪力越大,為了防止結構主要豎向構件發生脆性剪切破壞,充分發揮結構體系的延性及耗能性能,結構抗震設計時應采取有效措施嚴格控制結構的扭轉效應并充分估計結構可能產生的扭轉效應,以提高結構的抗扭能力。分析表明,結構抗扭剛度主要取決于豎向結構布置,應弱化平動剛度、強化抗扭剛度,結構設計應加強薄弱部位的抗震措施,增加結構的整體性和延性,改善結構變形能力,從而實現預定的抗震設防目標。
調整結構平面布置的不規則性,減小結構相對偏心距,根據具體情況適當增加或者減少離質心較遠處的剪力墻,在建筑允許的情況下,盡量加長或加厚周邊剪力墻尤其是離剛心最遠處的剪力墻,在結構周邊加設拉梁,加強周邊連梁剛度,可以增強結構抗扭剛度。減少核心筒的剪力墻厚度或采用弱連梁連接剪力墻,從而減少核心筒剛度,削弱結構側移剛度,結構剛心附近的剪力墻對結構抗扭剛度貢獻不大,但對側移剛度貢獻較大,因此削弱剛心附近的剪力墻,可以加大第一平動周期。在既不能加強周邊剪力墻也不能削弱中部剪力墻的情況下,可以適當加強周邊框架梁的剛度,從而對結構整體形成套箍效應,增強結構抗扭剛度,減小結構扭轉周期,顯然這種方法是不經濟的,只有在以上辦法都行不通的情況下迫不得已才采用。同時還應調整結構抗扭剛度與抗側剛度之比,控制結構周期比。適當提高周邊抗扭構件的抗剪能力,增強結構抗扭能力安全度。
目前關于結構整體扭轉破壞的機理研究還不是很深入,地震波的扭轉分量作用目前也不能定量分析,關于結構周期比及位移比的限值也是基于結構彈性分析得出的結論,對于結構進入彈塑性狀態下整體結構的扭轉性態的研究還相當不成熟。在這種情況下,僅僅依靠調整結構布置使其滿足規范對周期比和位移比的要求并不能完全保證結構在中震和大震作用下的安全。實際上當結構進入非彈性階段,在雙向水平地震作用下本來是對稱的結構,也會出現隨變形狀態而變化的偏心,如一角柱的變形進入塑性狀態后,剛度完全不同于彈性階段,而其他角柱可能仍處于彈性狀態,這時,水平力會產生很大扭轉效應,從而可能導致結構破壞。
Abstract:The high-rise buildings aseismic design and construction work has been building the key, and summarizes the principle of seismic design of high-rise building, the architecture of the short column seismic necessary theoretical analysis, and the seismic measures must be taken. In order to avoid short column in high-rise building brittle failure occurs in, I think, first of all to correctly determine the short columns, and then the short column to take some structural measures or processing, improve the short column and the ductility of the seismic performance.
Keywords: high building, structure design, seismic design, short columns, measures
中圖分類號:TU318文獻標識碼:A文章編號:
1 高層建筑抗震設計的原則
1.1 結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能①結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱(墻)”的原則。②對可能造成結構的相對薄弱部位,應采取措施提高抗震能力。③承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。
1.2 盡可能設置多道抗震防線①一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成,并由延性較好的結構構件連接協同工作。例如框架—剪力墻結構由延性框架和剪力墻兩個分體組成,雙肢或多肢剪力墻體系組成。②強烈地震之后往往伴隨多次余震,如只有一道防線,則在第一次破壞后再遭余震,將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度,有意識地建立一系列分布的屈服區,主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度,以使結構能吸收和耗散大量的地震能量,提高結構抗震性能,避免大震時倒塌。③適當處理結構構件的強弱關系,同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后,其他抗側力構件仍處于彈性階段,使“有效屈服”保持較長階段,保證結構的延性和抗倒塌能力。④在抗震設計中某一部分結構設計超強,可能造成結構的其他部位相對薄弱,因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大帶小,改變抗側力構件配筋的做法,都需要慎重考慮。
1.3 對可能出現的薄弱部位,應采取措施提高其抗震能力①構件在強烈地震下不存在強度安全儲備,構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。②要使樓層(部位)的實際承載能力和設計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化,一旦樓層(部位)的比值有突變時,會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。③要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協調。④在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位),使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移,這是提高結構總體抗震性能的有效手段。
2 高層建筑抗震中短柱的正確判定
柱凈高H與截面高度h之比H/h≤4為短柱,工程界許多工程技術人員也都據此來判定短柱,這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數是柱的剪跨比λ,只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱,而柱凈高與截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2,亦即不一定是短柱。按H/h≤4來判定的主要依據是:①λ=M/Vh≤2;②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點,取M=0.5VH,則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此即得H/h≤4。但是,對于高層建筑,梁、柱線剛度比較小,特別是底部幾層,由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小,反彎點的高度會比柱高的一半高得多,甚至不出現反彎點,此時不宜按H/h≤4來判定短柱,而應按短柱的力學定義——剪跨比λ=M/Vh≤2來判定才是正確的。
框架柱的反彎點不在柱中點時,柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣,即Mt≠Mb。因此,框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的,即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此時,應采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢?筆者認為,應該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值,即取λ=max(λt,λb)。一般情況下,在高層建筑的底部幾層,框架柱的反彎點都偏上,即Mb>Mt。
在層高一定的情況下,為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截面增大,且軸壓比越小截面越大;而截面增大導致剪跨比減小,又降低了構件的延性,軸壓比與延性比關系圖如圖1所示,因此,在高層特別是超高層建筑結構設計中,為滿足規程對軸壓比限值的要求,柱子的截面往往比較大,在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。
圖1 軸壓比與延性比關系圖
3 提高短柱抗震性能的措施
有抗震設防要求的高層建筑除應滿足強度、剛度要求外,還要滿足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大,所以對于高層建筑的底層柱,隨著建筑物高度的增加,其所承擔的軸力不斷增加,而抗震設計對結構構件有明確的延性要求,在層高一定的情況下,提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內而不能過大,這樣則必然導致柱截面的增大,從而形成短柱,甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。眾所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱幾乎沒有延性,在建筑遭受本地區設防烈度或高于本地區設防烈度的地震影響時,很容易發生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌。
混凝土短柱的延性主要受軸壓比的影響,同時配箍率、箍筋的形式對混凝土短柱的影響也很大。高層混凝土結構短柱,特別是結構低層的混凝土短柱,其軸壓比很大,破壞時呈脆性破壞,其塑性變形能力很小。提高混凝土短柱的抗震性能,主要也就是提高混凝土短柱的延性。因此,可以從以下幾方面著手,采取措施提高混凝土的抗震性能。
3.1提高短柱的受壓承載力
提高短柱的受壓承載力可減小柱截面、提高剪跨比,從而改善整個結構的抗震性能。減小柱截面和提高剪跨比,最直接的方法就是提高混凝土的強度等級,即采用高強混凝土來增加柱子的受壓承載力,降低其軸壓比;但由于高強混凝土材料本身的延性較差,采用時須慎重或與其他措施配合使用。此外,可以采用鋼骨和鋼管混凝土柱以提高短柱的受壓承載力。
3.2 采用鋼管混凝土柱
鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式,由混凝土填入薄壁圓形鋼管內而形成的組合結構材料。由于鋼管內的混凝土受到鋼管的側向約束,使得混凝土處于三向受壓狀態,從而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高,混凝土特別是高強混凝土的延性得到顯著改善。同時,鋼管既是縱筋,又是橫向箍筋, 其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下,相當于配筋率2至少都在4.6%。
當選用了高強混凝土和合適的套箍指標后,柱子的承載力可大幅度提高,通常柱截面可比普通鋼筋混凝土柱減小一半以上,消除了短柱并具有良好的抗震性能。
3.3 采用分體柱
中圖分類號:TU984 文獻標識碼:A 文章編號:
1 震害多發點
隨著這幾年來經濟的快速發展,由于建設者開發、使用功能上的要求,高層建筑的體型越來越多樣化。高層建筑不僅在材料和結構體系上逐漸多樣化, 而且在高度上也大幅度增長。進入上世紀90年代后, 結構抗震分析和設計已提到各國建筑設計的日程。特別是我國處于地震多發區, 高層建筑抗震設防更是工程設計面臨的迫切任務。作為工程抗震設計的依據, 高層建筑抗震分析處于非常重要的地位。
地震作用具有較強的隨機性和復雜性,要求在強烈地震作用下結構仍保持在彈性狀態,不發生破壞是很不實際; 既經濟又安全的抗震設計是允許在強烈地震作用下破壞嚴重, 但不倒塌。因此,依靠彈塑性變形消耗地震的能量是抗震設計的特點,提高結構的變形、耗能能力和整體抗震能力,防止高于設防烈度的“大震”不倒是抗震設計要達到的目標。
1.1 結構層間屈服強度有明顯的薄弱樓
鋼筋混凝土框架結構在整體設計上存在較大的不均勻性, 使得這些結構存在著層間屈服強度特別薄弱的樓層。在強烈地震作用下,結構的薄弱層率先屈服, 彈塑性變形急劇發展,并形成彈塑性變形集中的現象。如1976 年唐山大地震中,13 層蒸吸塔框架,由于該結構樓層屈服強度分布不均勻,造成第6 層和第11 層的彈塑性變形集中, 導致該結構6 層以上全部倒塌。
1.2 柱端與節點的破壞較為突出
框架結構構件震害一般是梁輕柱重, 柱頂重于柱底,尤其是角柱和邊柱易發生破壞。除剪跨比小短柱易發生柱中剪切破壞外, 一般柱是柱端的彎曲破壞, 輕者發生水平或斜向斷裂;重者混凝土壓酥,主筋外露、壓屈和箍筋崩脫。當節點核芯區無箍筋約束時, 節點與柱端破壞合并加重。當柱側有強度高的砌體填充墻緊密嵌砌時,柱頂剪切破壞嚴重,破壞部位還可能轉移至窗洞上下處,甚至出現短柱的剪切破壞。
1.3 砌體填充墻的破壞較為普遍
砌體填充墻剛度大而變形能力差, 首先承受地震作用而遭受破壞, 在8 度和8 度以上地震作用下,填充墻的裂縫明顯加重,甚至部分倒塌,震害規律一般是上輕下重,空心砌體墻重于實心砌體墻,砌塊墻重于磚墻。
2 影響建筑物抗震效果的因素
研究高層建筑結構的抗震設計,必須明確建筑物抗震效果的主要影響因素。下面,將從建筑結構本身的設計效果、施工材料和施工過程以及建筑場地情況三個方面進行分析。
2.1 建筑物自身的結構設計
建筑物的結構設計是影響抗震效果極為關鍵的一個因素,建筑物若要達到抗震目的,無論點式住宅或是版式住宅,都必須進行合適的結構設計,保證抗震措施合理,能夠基本實現小震不壞、大震不倒這樣的目標,提高建筑結構的抗震性能。如果建筑物對平面的布置較為復雜,質心與剛心不一致,將會加劇地震的作用影響力,增強破壞性。所以,建筑物的結構平面布置應盡量保證質心和剛心重合,提高建筑物的抗震能力。在建筑結構的設計中,出屋面建筑部分不宜太高,以降低地震過程中的鞭梢影響;平面布置不規則的房屋注意偏離建筑結構剛心遠端的抗震墻等等。
2.2 建筑結構建造材料和施工過程
建筑結構的材料是影響抗震效果非常重要的因素,但是這個因素往往被人們忽視,工作人員需要明確這樣一點:在一般情況下,地震對建筑物作用力的大小與建筑物的質量成正比。在同等地震環境下,建筑物使用的材料越好,其受到的地震作用力也相對較小;反之,建筑物就會遭到地震很大的作用力。所以,在實際的建筑物的建設中,建議多采用隔斷、板樓、維護墻等構件,廣泛采用空心磚、加氣混凝土板、塑料板材等質輕的建筑材料,這將會有利于建筑物抗震性能的提高。建筑結構施工過程同施工材料共同影響整個建筑工程的質量,在施工過程中,每一個環節都可以影響建筑結構抗震效果。所以,高層建筑在具體施工中,要加強監管和規范,嚴格做好高層建筑施工管理,從建筑結構的質量上來提高抗震效果。
2.3 建筑物所處地質環境情況
在地震中,對建筑物造成破壞的原因是多方面的,比如巖石斷層、山體崩塌、地表滑坡等使得地表發生運動,造成建筑物的破壞,或海嘯、水災等次生災害對建筑物造成破壞。在造成建筑物破壞的諸多原因中,有些是可以通過工程措施加以預防的。所以,在選擇建筑工地的位置之前,要進行詳盡地勘探考察,分析地形和地質條件,避開不利地段,挑選對建筑物抗震有利的地點。
3 高層混凝土建筑抗震結構設計策略
3.1 高層混凝土建筑的結構體系選擇
高層建筑結構應根據建筑使用功能、房屋高度和高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度、場地類別、地基情況、結構材料和施工技術等因素,綜合分析比較,選擇適宜的結構體系。高層建筑鋼筋混凝土結構可采用框架、剪力墻、框架- 剪力墻、筒體和板柱-剪力墻結構體系。
框架結構可為建筑提供靈活布置的室內空間。當建筑物層數較少時,水平荷載對結構的影響較小,采用框架結構體系比較合理;框架結構屬于以剪切變形為主的柔性結構,使用高度受到限制,主要用于非抗震設計和層數相對較少的建筑中。剪力墻結構中,剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置,由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載,屬于以彎曲變形為主的剛性結構。該種結構的抗側力剛度大,在水平力作用下側向變形小,空間整體性好。但剪力墻結構自重大,建筑平面布置局限性大,難以滿足建筑內部大空間的要求。因此更多地用于墻體布置較多,房間面積要求不太大的建筑物中,既減少了非承重隔墻的數量,也可使室內無外露梁柱,達到整體美觀。
框架——剪力墻結構是指在框架結構中的適當部位增設一些剪力墻,是剛柔相結合的結構體系,能提供建筑大開間的使用空間,是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結構體系中,框架和剪力墻共同承擔水平力,但由于兩者剛度相差很大,變形形狀也不相同,必須通過各層樓板使其變形一致,達到框架和剪力墻的協同工作。從受力特點看,剪力墻是以彎曲變形為主,框架是以剪切變形為主,由于變位協調,在頂部框架協助剪力墻抗震,在底部剪力墻協助框架抗震,其抗震性能由于較好地發揮了各自的優點而大為提高。因此可以適用于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。板柱- 剪力墻結構,由于在板柱框架體系中加入了剪力墻或井筒,主要由剪力墻構件承受側向力,側向剛度也有很大的提高。這種結構目前在7、8 度抗震設計的高層建筑中有較多的應用,但其適用高度宜低于一般框架- 剪力墻結構。
3.2 減少地震發生時能量的輸入
在具體的設計中,積極采用基于位移的結構抗震方法,對具體的方案進行定量分析,使結構的變形彈性滿足預期地震作用力下的變形需求。對建筑構件的承載力進行驗收的同時,還要控制建筑結構在地震作用下的層間位移限值;并且根據建筑構件的變形和建筑結構的位移之間的關系,確定構件的變形值;根據建筑界面的應變分布以及大小,來確定建筑構件的構造需求。對于高層建筑,在堅固的場地上進行建筑施工,可以有效減少地震發生作用時能量的輸入,從而減弱地震對高層建筑的破壞。
4 結束語
鋼筋混凝土框架結構是我國大量存在的建筑結構形式之一,鋼筋混凝土框架結構的柱端與節點的破壞較為嚴重,其抗震設計中應該鋼筋混凝土高層建筑結構抗震關鍵設計,另外,必須滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點”、“強底層柱底”等延性設計原則和有關規定。
參考文獻:
Abstract: with the high building to higher the direction of development, the seismic performance also becomes more and more important. The author discusses the design practice, then high-rise building design of anti-seismic structure need to be paid attention to relevant issues are discussed.
Keywords: high building; Seismic; Structure design
中圖分類號:[TU208.3]文獻標識碼:A 文章編號:
地震是人類在繁衍生息、社會發展過程中遇到的一種可怕的自然災害。強烈地震常常以其猝不及防的突發性和巨大的破壞力給社會經濟發展、人類生存安全和社會穩定、社會功能帶來嚴重的危害。研究表明,在地震中造成人員傷亡和經濟損失最主要的因素就是房屋倒塌及其引發的次生災害(約占95%)。無數次的震害告訴我們,抗震設計是防御和減輕地震災害最有效、最根本的措施。高層建筑結構的抗震仍然是建筑物安全考慮的重要問題。
1 結構規則性
建筑物尤其是高層建筑物設計應符合抗震概念設計要求,對建筑進行合理的布置,大量地震災害表明,平立面簡單且對稱的結構類型建筑物在地震時具有較好的抗震性能,因為該種結構建筑容易估計出其地震反映,易于采取相應的抗震構造措施并且進行細部處理。建筑結構的規則性是指建筑物在平立面外形尺寸、抗側力構件布置、承載力分布等多方面因素要求。要求建筑物平面對稱均勻,體型簡單,結構剛度,質量沿建筑物豎向變化均勻,同時應保證建筑物有足夠的扭轉剛度以減小結構的扭轉影響,并應盡量滿足建筑物在豎向上重力荷載受力均勻,以盡量減小結構內應力和豎向構件間差異變形對建筑結構產生的不利影響。
2 層間位移限制
高層建筑都具有較大的高寬比,其在風力和地震作用下往往能夠產生較大的層間位移,甚至會超過結構的位移限值。而國內普遍認為該位移限值大小與結構材料、結構體系甚至裝修標準以及側向荷載等諸多因素有關,其中鋼筋混凝土結構的位移限值(一般在1/400-1/700范圍內)則比鋼結構(1/200-1/500范圍內)要求嚴格,風荷載作用下的限值比地震作用下的要求嚴格。因此在進行高層建筑結構設計時應根據建筑物的實際情況以及所處的地理位置進行設計,既要滿足其具有足夠的剛度又要避免結構在水平荷載的作用下產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性以及正常使用功能等。
3 控制地震扭轉效應
大量事實表明,當建筑結構的平面布置等不規則、不對稱導致建筑層間水平荷載合力中心與建筑結構剛度中心不重合,在地震發生時建筑結構除發生水平位移外還易發生扭轉性破壞甚至會導致結構整體倒塌,因此在結構設計中應充分重視扭轉的影響。由于建筑物在扭轉作用下各片抗側力結構的層間變形不同,其中距剛心較遠的結構邊緣的抗側力單元的層間側移最大;同時在上下剛度不均勻變化的結構中,各層的剛度中心未能在同一軸線上,甚至會產生較大差距,以上情況都會使各層結構的偏心距和扭矩發生改變,因此,在設計過程中應對各層的扭轉修正系數分別計算。計算時應主要控制周期比、位移比兩個重要指標,即當兩個控制參數的計算結果不能滿足要求時則必須對其進行調整。當周期比不滿足要求時可采用加大抗側力構件截面或增加抗側力構件數量的方法,并應將抗側力構件盡可能的均勻布置在建筑四周,以減小剛度中心與質量中心的相對偏心,若調整構件剛度不能滿足效果時則應調整抗側力構件布置,以增大結構抗扭剛度。
4 減小地震能量輸入
具有良好抗震性能的高層建筑結構要求結構的變形能力滿足在預期的地震作用下的變形要求,因此在設計過程中除了控制構件的承載力外還應控制結構在地震作用下的層間位移極限值或位移延性比,然后根據構件變形與結構位移的關系來確定構件的變形值,同時根據截面達到的應變大小及分布來確定構件的構造要求,選擇堅硬的場地土來建造高層建筑等方法來減小地震能量的輸入。
5 減輕結構自重
對于同樣的地基條件下進行建筑結構設計若減輕結構自重則可相應增加層數或減少地基處理造價,尤其是在軟土基礎上進行結構設計這一作用更為明顯,同時由于地震效應與建筑質量成正比,而高層建筑由于其高度大重心高等特點,在地震作用時其傾覆力矩也隨之增加,因此,為了盡量減小其傾覆力矩應對高層建筑物的填充墻及隔墻盡量采用輕質材料以減輕結構自重。
6 提高結構的抗震性能
由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑,因此在地震區進行高層建筑結構設計時,除應保證結構具有足夠的強度和剛度外,還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計,使建筑物達到小震不壞,中震可修,大震不倒。為了達到這一要求,結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量,減弱地震破壞的影響。
框架結構設計應使節點基本不破壞,梁比柱的屈服易早發生,同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好,底層柱底的塑性鉸宜晚形成,應使梁、柱端的塑性鉸出現得盡可能分散,充分發揮整體結構的抗震能力。為了保證鋼筋砼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力,應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點弱構件”的原則進行設計,合理地選擇柱截面尺寸,控制柱的軸壓比,注意構造配筋要求,特別是要加強節點的構造措施。
7 選擇合理結構類型
高層建筑的豎向荷載主要使結構產生軸向力,水平荷載主要產生彎矩。其豎向荷載方向不變,但隨著建筑高度增加而增加,水平荷載則來自任何方向,因此豎向荷載引起建筑物的側移量非常小,而水平荷載產生的側移則與高度成四次方變化,即在高層結構中水平荷載的影響遠遠大于豎向荷載的影響,因此水平荷載應為設計的主要控制因素,在設計過程中應需在滿足建筑功能及抗震性能的前提下選擇切實可行的結構類型,使其具有良好的結構性能。目前大多高層結構都采用鋼混結構和鋼結構,鋼混結構具有剛度大、空間整體性好、材料資源豐富、可組成多種結構體系等優點而被廣泛應用,但其同時具備自重大、抵抗塑性變形能力差、易發生共振等缺點;鋼結構則具有自重輕、強度高、抗震性能好、施工工期短、具有較好延性等優點,但其造價相對較高,當場地土特征周期較長時易發生共振等缺點。
8 盡可能設置多道抗震防線
當發生強烈地震之后往往伴隨多次余震,如只有一道防線,則在第一次破壞后再遭余震,將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度,有意識地建立一系列分布的屈服區,主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度,以使結構能吸收和耗散大量的地震能量,提高結構抗震性能,避免大震時倒塌。
9 結束語
高層建筑結構的抗震設計方法和技術是不斷變化和進步的,我們需要在具體的實踐中對高層建筑所處的地質和環境進行詳細的分析和研究,選用適合的抗震結構,注重建筑結構材料的選擇,減小地震的作用力,增強地震的抵抗力,從而達到高層建筑抗震的目的。
1剪力墻的連梁設計
連梁是指與剪力墻相連允許開裂可作剛度折減的梁。當PKPM建模后進入STAWE計算時,程序對全樓所有的梁都進行了判斷,把兩端都與剪力墻相連且至少在一端與剪力墻軸線的夾角不大的梁,隱含定義為連梁。在高層剪力墻結構中,連梁的設計常受多因素制約,連梁的內力和結構抗側力剛度與相連墻肢剛度、連梁跨高比等因素有關。聯系墻肢的連梁,對剪力墻的受力會產生較大的影響,其本身的受力條件也比較復雜,如果連梁發生破壞,那么聯肢墻各墻肢間會失去約束而形成幾個單獨受力的墻肢,造成整片剪力墻水平位移加大。承載力下降的狀況。震害調查和試驗結果證明,對聯肢墻來說,連梁的設計是非常重要的。連梁的破壞將會導致剪力墻最終喪失承載能力。按照《建筑抗震設計規范》要求。宜選用跨高比偏大的連梁。按常規設計方法配筋,進行截面抗剪設計,使其不過早地發生剪切破壞,從而使連梁具有足夠的延性。在工程設計時,根據計算的基本假定,可以忽略連梁的軸力,但絕大多數的墻體洞口尺寸的寬度是不大的,因此大多數連梁的跨高比較小。其尺寸類似于深梁。試驗表明,連梁的剪切變形較大,容易產生斜裂縫.在反復荷載作用下。斜裂縫會發展成沿梁跨的對角線狀,較大地降低了連梁的抗剪能力。為了避免連梁的剪切破壞,要求連梁有足夠的截面尺寸和一定數量的抗剪箍筋。抗震結構還應考慮非彈性變形階段,連梁是首先屈服并形成塑性鉸的耗能機構,應調整內力,對連梁剛度進行折減,這是避免連梁在彎曲屈服前出現剪切破壞的有效措施,從而控制結構最終形成延性破壞機制。在結構計算時,設計人員都會發現,往往會出現部分連梁超筋的情況,分析其原因主要是因為連梁跨高比較小,剛度較大,吸收地震力較多。造成連梁的約束彎矩和剪力過大,致使連梁抗剪能力不能滿足規范對連梁剪壓比的限值。當連梁剪力超過其剪壓比限值時,連梁將產生脆性破壞。剪力墻結構的一個設計原則是強墻弱連梁。如果對剪力墻連梁剛度進行折減,人為限制連梁梁端的抗彎承載力。進行塑性再調幅。則連梁梁端將產生裂縫,變形增大,形成塑性鉸.其剪力值將達不到按彈性計算的剪力值。連梁剛度折減后。如計算分析結果仍有部分連梁不能滿足剪壓比限制時,則可按剪壓比要求降低連梁剪力設計值,由調整后的剪力計算出相應的連梁彎矩,并對剪力墻墻肢內力進行調整。在實際工程中。對連梁的剛度折減不宜過大,否則小震時就會有較多裂縫產生。按《建筑抗震設計規范》要求折減系數不宜小于0.5,要滿足正常使用狀態下極限承載力的要求。
2 位移比和周期比的控制
地震作用對結構的損害與扭轉反應的大小有直接關系,對于要求地震的建筑,一方面,要求結構布置規則、對稱,其關鍵是要求平面布置剛度均勻。以減少扭轉。另一方面,要求加強結構的抗扭強度和抗扭承載力。這已成為重要的概念設計內容。而在實際工程中,由于建筑造型的要求.建筑場地的限制或建筑功能的需要,在高層建筑結構設計中,大多數結構的平面布置和豎向布置很難達到《建筑抗震設計規范》所要求的“規則”標準。為此需對結構進行調整,限制平面扭轉效應。
結構自振周期表示結構自身的性能。其中扭轉周期的相對大小反映了結構抗扭剛度的大小,抗扭剛度小的結構,其扭轉周期長,地震時這樣的結構扭轉反應一般較大。不利于抗震,因此《高層建筑混凝土結構技術規程》對結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期的周期比進行限制。限制結構的抗扭剛度不能太弱,從而使結構的層間扭轉角不致過大。因結構在水平地震作用下的扭轉振動不僅與扭轉為主的周期有關,也與平動為主的結構周期有關,因為所有振動都是耦連的,當平動為主的第一周期較長時,和它相應的結構扭轉振動可能也較大,導致結構層間扭轉角加大。這對結構抗震是不利的,因此對結構平動為主第一周期也應考慮不宜過長。周期比是控制結構扭轉效應的重要指標,當周期比不滿足要求時,通常采取降低結構中間構件的剛度,在建筑周邊設置剛性構件。增加抗扭剛度,使周期比滿足要求。實際上,控制周期和控制位移是一樣的。控制結構扭轉周期就是控制結構在地震作用下的扭轉位移。結構位移和結構自振周期互相關聯,位移隨著周期的增大而增長。位移比是控制結構平面不規則性的重要指標,其值《高層建筑混凝土結構技術規程》中有明確規定,當位移比超過1.2時為不規則結構,超過1.5時為嚴重不規則結構。當位移比不滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》要求時,常常是因為結構的抗側力構件布置不均勻引起的。所以,在高層建筑中,抗側力構件布置時應按照均勻、對稱、分散的原則,盡量使結構的質心和剛心重合或接近,提高抗扭剛度在一定程度上可減小位移比,這也是概念設計中改進結構抗震性能的重要措施之一。
3 轉角窗布置的設計