關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法分析

1、關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法分析【摘要】近幾十年來，隨著我國建筑事業(yè)的飛速發(fā)展，高層建筑越來越流行，高層建筑發(fā)展具有層數(shù)和高度不斷增加、體型和平面日趨復(fù)雜的特點。但經(jīng)常發(fā)生的地震、沙塵暴等自然災(zāi)害嚴(yán)重影響了建筑設(shè)施尤其是高層建筑的使用安全性能。因此，如何更好設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)一提高其抗震性能，是目前研究的熱點之一。本文簡要介紹了幾種常用的高層建筑結(jié)構(gòu)抗抗震設(shè)計方法?！娟P(guān)鍵詞】抗震設(shè)計；高層建筑；措施；分析方法1.前言近幾十年來，高層建筑隨著建筑事業(yè)的飛速發(fā)展而越來越流行。高層建筑發(fā)展的發(fā)展趨勢是層數(shù)和高度不斷增加、體型和平面日趨復(fù)雜。由于高層建筑的這些特點，因此其更容易受到地震、沙塵暴等自然災(zāi)害

2、的影響。地震作用具有很大的隨機(jī)性，作用于建筑設(shè)施的負(fù)荷具有往復(fù)循環(huán)性，而高層建筑物抗震設(shè)計方法研究還不成熟，僅僅依據(jù)微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)而不充分慮高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的阻尼變化、材料時效、非彈性性質(zhì)以及空間作用等其他相關(guān)因素，很難在結(jié)構(gòu)上提高高層建筑的抗震能力，降低其在遭遇地震時的經(jīng)濟(jì)和人力損失1。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計具有急需性。2.地震對高層建筑的作用特點2.1高層建筑構(gòu)件形式方面（a）在高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中，通常地震對板和梁的破壞程度輕于柱； （b）地震作用經(jīng)常在多肢剪力墻（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的窗下引起交叉火災(zāi)斜向的裂縫；（c）如果混凝土柱配置螺旋箍筋，即使地震引起較大的層間位移，對柱以及核心

3、混凝土作用并不明顯；（d）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，如長、短柱并用于同一樓層，長柱受損害較輕。2.2高層建筑結(jié)構(gòu)體系方面（a）對于鋼筋混凝土柱、板體系的高層建筑，各層樓板因樓層柱腳破壞或者側(cè)移過大以及樓板沖切等因素而在地面墜落重疊2；（b）對于“填墻框架”體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，因而容易發(fā)生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現(xiàn)象；（c）對于“填墻框架”體系的高層建筑，地震對采用敞開式框架間未砌磚墻的底層破壞嚴(yán)重；（d）對于框架-抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大；（e）對于“底框結(jié)構(gòu)”體系的高層建筑，地震嚴(yán)重破壞剛度柔弱的底層。2.3高層建筑地基方面（a）如果地基自振周期與高層建筑結(jié)構(gòu)的基本周

4、期相同或相近，地震作用因共振效應(yīng)而增加；（b）如果高層建筑處在危險活地形不利的區(qū)域，則容易使高層建筑因地基破壞而受損；（c）地基處地質(zhì)不均勻，在地震作用下容易使上部結(jié)構(gòu)傾斜甚至倒塌損； （d）若高層建筑的地基處有較厚的軟弱沖積土層，則地震作用對高層建筑的損害顯著增大。2.4高層建筑剛度分布方面。（a）對于采用L 形以及三角形等平面不對稱的高層建筑，地震作用能夠使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，因而損害現(xiàn)象嚴(yán)重；（b）對于采用矩形平面布置的高層建筑結(jié)構(gòu)，如果該建筑的抗側(cè)力構(gòu)件（如電梯井等）布置存在偏心情況時時，同樣會使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。3.抗震設(shè)計方法3.1靜力法如果以F作為地震作用于建筑設(shè)施的力，以

5、M表示建筑物的重量，以R表示地震震度，則有以下公式：F=RM (1)這種以“震度”表示地震尺度的想法，在1924年（日本關(guān)東發(fā)生大地震后第二年）被納入日本的建筑工程相關(guān)的技術(shù)規(guī)范中,當(dāng)時，人們已經(jīng)意識到房屋的重量是影響地震破壞能力的一個極為重要的因素。在當(dāng)時的條件下人們認(rèn)為為建筑重量10%的水平力大約地震慣性力相當(dāng)。在當(dāng)時還假定：建筑結(jié)構(gòu)的承載能力大小決定了房屋的抗震能力大小；地震力與建筑地基以及結(jié)構(gòu)的實際特性等因素?zé)o關(guān)3。3.2反應(yīng)譜法美國在1933年長灘發(fā)生大地震以及在1940年ELcentro發(fā)生大地震時。均取得了強(qiáng)震加速度記錄。美國的一些相關(guān)研究者依據(jù)建筑物自振特性資料以及這些強(qiáng)震記錄

6、提出了著名的地震反應(yīng)譜理論，具有非常重要的現(xiàn)實意義。近些年來，我國在抗震設(shè)計領(lǐng)域也取得了較大的進(jìn)展，逐漸形成了科學(xué)合理而又普遍適用的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。大部分的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范都是根據(jù)結(jié)構(gòu)能力以及反應(yīng)譜理論建立起來的。3.3彈性動力時程法彈性動力時程分析法抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理是，根據(jù)地震烈度、高層建筑場地類別以及設(shè)計分組的判斷，然后選用合適數(shù)量的地震地面運(yùn)動加速度的記錄，對其積分然后求解運(yùn)動方程4,最終計算出在模擬的地震中建筑的加速度、速度以及位移的響應(yīng),進(jìn)行抗震設(shè)計。高層建筑運(yùn)動方程是獨(dú)立的, 我們要計算各個時刻的結(jié)構(gòu)反應(yīng)只需用到數(shù)值方法求解。3.4靜力彈塑性法靜力彈塑性分析方法的原理為

7、計算現(xiàn)有設(shè)計方案的抗側(cè)力能力,進(jìn)而估計出其抗震能力，其具體方法為：根據(jù)房屋的具體情況在房屋上施加某種分布的水平力,逐漸增加水平力使結(jié)構(gòu)各構(gòu)件依次進(jìn)入塑性，調(diào)整水平力的分布和大小，直到結(jié)構(gòu)達(dá)到位移超限5。其優(yōu)點在于：據(jù)結(jié)構(gòu)的振型變化可以求得水平力的分布，根據(jù)結(jié)構(gòu)在不同工作階段的周期通過設(shè)計反應(yīng)譜可以求得水平力的大小。3.5動力彈塑性分析法我們以y,y,y分別表示運(yùn)動的水平位移和速度以及加速度，以yg表示地面運(yùn)動水平加速度，則在多自由度系統(tǒng)中，在地面運(yùn)動作用下的振動方程可以用以下公式表示：My+Cy+Ky=-MLyg (2)采用各種手段劃分由強(qiáng)震記錄的水平方向上的時間-加速度曲線，將其分為一系列極

8、小的時間段，運(yùn)用震動方程對對每一個時段方程進(jìn)行積分求解,可求得每個時間段內(nèi)體系的加速度、速度以及位移，最終可計算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力。4.抗震方法的比較地震是一種破壞性嚴(yán)重的自然現(xiàn)象，其三要素分別為：幅值、持時與頻譜特征。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方案應(yīng)體現(xiàn)地震動特性和結(jié)構(gòu)特性，所考慮的地震作用應(yīng)在在地震作用下最大程度地反映結(jié)構(gòu)的真實響應(yīng)6。表1為抗震設(shè)計方法反應(yīng)結(jié)構(gòu)特性以及地震動特性的具體情況對比。表1 各種抗震設(shè)計方法對比5.工程實例分析地處我國益陽的某高層建筑，地下3層,地上28層,總建筑面積約6萬平方米。其中，7-28層為住宅區(qū)；第6層作為空中花園以及設(shè)備轉(zhuǎn)換層；4-5層為辦公用區(qū)域；1-3層為商場樓層

9、；地下3層作為設(shè)備用房和車庫；第7層樓蓋作為高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。高層建筑總高度（地面以上）為90.4m。該高層建筑以鋼筋混凝土框架剪力墻作為工程主體,柱截面面積為7001100m2、8001100m2,墻厚2-4m,板厚為：轉(zhuǎn)換層1.8m、天面1.2m、住宅1m、裙樓1.1m,梁截面面積為190400-240600m2。轉(zhuǎn)換層框支梁為4001300-5001500m2。該高層建筑要求7度的防烈度；建筑設(shè)防類別為丙類；設(shè)計第1組為地震分組。預(yù)期的抗震等級為：8層以上為二級；1-8層為一級；6層以下普通框架為一級；框支框架為特一級。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，本工程設(shè)計中有四項不合理，具體為

10、：5.1扭轉(zhuǎn)不規(guī)則在考慮各種因素的情況下，樓層豎向構(gòu)件的水平位移最大應(yīng)小于等于該樓層平均值的1.2倍，而在本高層建筑中此比值最大為1.32，大于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。5.2凹凸不規(guī)則在該高層建筑中，平面最大凸出部位凸出尺寸為L=17.24m, Bmax=41.20m, L與Bmax之比為41.84%,而規(guī)范要求的此值為35%。5.3樓板局部不連續(xù)塔樓部分樓層電梯間局部樓板最小凈寬3m，相關(guān)的建筑規(guī)范規(guī)定此值為5m。5.4豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)塔樓剪力墻通過轉(zhuǎn)換梁向框支柱傳遞,屬豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。5.5解決措施具體到本高層建筑，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時為了滿足相關(guān)規(guī)范的要求，需要采取的措施如

11、下：（1）加強(qiáng)剪力墻底部部位。（2）根據(jù)規(guī)范要求提高框支柱的配筋率。（3）塔樓樓梯間及周邊樓板厚度增大至1.5m。（4）轉(zhuǎn)換層板厚度增大至1.8m。（5）將剪力墻底部加強(qiáng)部位的鋼筋配筋率提高到0.5%。（6）將剪力墻的底部加強(qiáng)部位以及框支柱等部位的抗震等級均提高一級。6.結(jié)語現(xiàn)代建筑事業(yè)的飛速發(fā)展帶動了我國的高層建筑事業(yè)的不斷前進(jìn)。隨著高層建筑的層數(shù)、高度越來越高，結(jié)構(gòu)、體型越來越復(fù)雜，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計也顯得越來越重要。時代是發(fā)展的，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法和技術(shù)也在不斷對的發(fā)展和進(jìn)步，我們要用發(fā)展那的眼光看問題，根據(jù)高層建筑的實際情況而選擇科學(xué)合理的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，為我國的高層建筑發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一份力?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1包世華、王建東.大底盤多塔樓連體結(jié)構(gòu)的受力分析J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2010,(16):52-56.2 婁宇、王紅慶、陳義明.大底盤上雙塔和連體高層建筑的振動分析J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報.2009,(24):31-33.3卞朝東、李愛群、婁宇、吳耀輝.高層連