高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念及方法

1、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念及方法 摘要：我國是地震帶分布較多的國家，地震的活動較為頻繁且震極較大。因此，高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)就是一項(xiàng)十分重要的課題，在高層建筑的設(shè)計(jì)階段，必須結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行深入的研究分析，從而提出最為合理、有效的抗震設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震 0前言 高層建筑抗震工作一直建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)，結(jié)構(gòu)工程師按抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是希望使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面達(dá)到最佳，從而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的循環(huán)、往復(fù)荷載，建筑物的地震破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，存在著許多模糊和不確定因素，

2、在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，計(jì)算方法還很不完善，單靠微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算還很難使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)真正確保具有良好的抗震能力。 1 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則 1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能。 我國是鋼材生產(chǎn)大國，所以高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以盡量采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)，這樣可以有效減小柱斷面的尺寸，以此來改善建筑物的抗震性能。高層建筑在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用具有多個(gè)肢節(jié)和壁式框架的“框架剪力墻”結(jié)構(gòu)，它具有良好的多道抗震防線結(jié)構(gòu)，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，可能通過合理的設(shè)置連梁來增

3、加抗震的防線性能。另外，也可以由傳統(tǒng)的硬性為主的抗震模式，轉(zhuǎn)向以柔性抗震模式為主，從而將地震作用中的能量進(jìn)行充分的釋放。 （1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（墻）”的原則。（2）對可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。（3）承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。 1.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線 （1）一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。例如框架剪力墻結(jié)構(gòu)由延性框架和剪力墻兩個(gè)分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。（2）強(qiáng)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

4、積累導(dǎo)致倒塌。抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。（3）適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長階段，保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。（4）在抗震設(shè)計(jì)中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng)，可能造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對薄弱，因此在設(shè)計(jì)中不合理的加強(qiáng)以及在施工中以大帶小，改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋的做法，都需要慎重考慮。 1.3 對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力 （1）構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存

5、在強(qiáng)度安全儲備，構(gòu)件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。（2）要使樓層（部位）的實(shí)際承載能力和設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性受力的比值在總體上保持一個(gè)相對均勻的變化，一旦樓層（部位）的比值有突變時(shí)，會由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。（3）要防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。（4）在抗震設(shè)計(jì)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(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。 2 提高短柱抗震性能的應(yīng)對措施 有抗震設(shè)防要求的高層建筑除應(yīng)滿足強(qiáng)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

6、加，其所承擔(dān)的軸力不斷增加，而抗震設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)而不能過大，這樣則必然導(dǎo)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(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)短柱，特別是結(jié)構(gòu)低層的混凝土短柱，其軸壓比很大，破壞時(shí)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

7、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。 2.1 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(gè)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級，即采用高強(qiáng)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(qiáng)混凝土材料本身的延性較差，采用時(shí)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。 2.2 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(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料。由于鋼管內(nèi)的混凝土受到鋼管的側(cè)向約束，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使

8、混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，混凝土特別是高強(qiáng)混凝土的延性得到顯著改善。同時(shí)，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(dāng)于配筋率2至少都在4.6%。 當(dāng)選用了高強(qiáng)混凝土和合適的套箍指標(biāo)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。 2.3 采用分體柱 由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。分體柱方

9、法已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法，可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為2或4個(gè)柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接鍵，以增強(qiáng)它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。 現(xiàn)階段，土與結(jié)構(gòu)物共同工作理論的研究與發(fā)展使建筑抗震分析在概念上進(jìn)一步走向完善，如果可以在結(jié)構(gòu)與地基的材料特性，動力響應(yīng)，計(jì)算理論，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)諸方面得到符合實(shí)際的發(fā)展，自然會在建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域內(nèi)起到重要的作用。 3 小結(jié) 在高層建筑越來越普及的情況下，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)一定要遵循其高層的特點(diǎn)，結(jié)合地震所產(chǎn)生的破壞特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對不同的設(shè)防列度和場地條件，在抗震模擬計(jì)算上、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上以及材料選擇上，進(jìn)行全面的、科學(xué)的抗震性能設(shè)計(jì)。從而使高層建筑的抗震能力得到充分保障，大最限度地保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。 參考文獻(xiàn)：