淺談高層建筑抗震設(shè)計措施

時間：2024-10-01 10:46:18 理工學(xué) 我要投稿

淺談高層建筑抗震設(shè)計措施

　　為了減輕地震所造成的損害，高層建筑的抗震能力必須得到有效的提高，那么，高層建筑抗震設(shè)計措施是?

　　摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市不斷壯大，促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。但我國人口眾多，城市用地不足，高層建筑逐漸成為了城市建設(shè)的主導(dǎo)。高層建筑的抗震設(shè)計是設(shè)計者需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題。和其他自然災(zāi)害不一樣，地震是很難做到提前預(yù)防。到目前為止，在世界范圍內(nèi)，地震的預(yù)測是公認(rèn)的難題。高層建筑的抗震設(shè)計已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)人士急需要解決的問題。文章通過對高層建筑抗震性能的理論研究，提出了在前期施工和設(shè)計時所需要注意的問題，并給出了具體的防范措施，希望能得到同行的認(rèn)可和指教，切實(shí)可行的落實(shí)到設(shè)計修建當(dāng)中。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震設(shè)計;形體;構(gòu)件布置

　　為了減輕地震所造成的損害，高層建筑的抗震能力必須得到有效的提高。但由于地震發(fā)生的突然性以及不確定性，因此在高層建筑的抗震設(shè)計不能只依賴?yán)碚摰挠嬎�，更多的�?yīng)該結(jié)合以往災(zāi)害發(fā)生的原因和前人總結(jié)的抗震理念。以此實(shí)現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的基本理念，盡可能的降低地震所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，給廣大人民群眾一個舒心的生活環(huán)境。

　　1我國地震的特點(diǎn)

　　基于構(gòu)造地震的活動特點(diǎn)，和特殊的自然條件和地形、社會條件以及歷史因素，我國的地震災(zāi)害主要有以下特點(diǎn)：①地震的頻率較高。我國地處世界兩大地震帶-環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，有非常明顯的地震活動性，光記錄在案七級以上的地震就有十多起，5級以下的地震一年發(fā)生上千起;②災(zāi)情較為嚴(yán)重。我國大陸的地震震源一般都比較淺，大都在地殼內(nèi)部10～25km，破壞力可想而知。超過五級的地震，在我國就會造成大量的房屋倒塌和人員的傷亡;③伴有很嚴(yán)重的次生災(zāi)害。我國地勢西高東低，呈階梯狀分布，地勢復(fù)雜多樣，丘陵、山地、平原、盆地、高原均有分布。地震的直接災(zāi)害，常常會引起火災(zāi)、水災(zāi)、滑坡、泥石流、臺風(fēng)、海嘯，由于震后人員的安置比較集中，密度較大，加之震后醫(yī)療設(shè)備的不齊全，衛(wèi)生環(huán)境跟不上，很容易導(dǎo)致大規(guī)模疫情的傳播，給人們身體和心理上造成多重的傷害，遠(yuǎn)比地震的直接損害要更為嚴(yán)重;④成災(zāi)面積廣，地震波及范圍大，發(fā)生一次規(guī)模較大的地震，它有可能波及震中周圍幾百或者上千公里之內(nèi)的地界。如我國2008年5月12號發(fā)生的汶川地震，除了黑龍江和遼寧，其他省份均有明顯的震感，最遠(yuǎn)波及到了3000km之外的曼谷，可想而知它的威力之大、范圍之廣;⑤地震災(zāi)害呈一定的周期，目前我國處于地震高發(fā)時期，可能會維持到下個世紀(jì)初，因此一定要提前做好預(yù)防，加強(qiáng)建筑的抗震能力。

　　2建筑形體及構(gòu)件布置的規(guī)則性對高層抗震的影響

　　2.1平面不規(guī)則

　　平面不規(guī)則的類型主要分為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)�！兑�(guī)范》規(guī)定：建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面布置宜規(guī)則、對稱并具有良好的整體性。層間的布置、劃分屬于建筑平面的布置。內(nèi)墻結(jié)構(gòu)的布置、可活動的空間面積、樓梯與通道的布置位置、竹子間的距離大小、樓層間的變化布置等。如果在建筑平面時，墻體不對稱布置，柱子與墻體不協(xié)調(diào)、不對稱分布，在平面上將會造成建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度不協(xié)調(diào)、不對稱分布，在地震時使建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)地震作用。有的建筑物的電梯井筒的剛度很大，卻被布置在建筑平面的一側(cè)或角部，發(fā)生地震時，使得靠電梯井筒一側(cè)建筑物破壞嚴(yán)重，這是由于地震作用的主要部分被電梯井筒很大的抗側(cè)力剛度吸引了，此典型震害的一例就是1972年的南美洲那瓜高十五層的中央銀行大廈。因?yàn)椴糠纸ㄖ镌诓贾闷矫鏁r一側(cè)墻少，一側(cè)墻多，內(nèi)隔墻中斷或不對稱，所以在地震發(fā)生時，地震力傳遞受阻和剛度發(fā)生突變等，這些都表明平面布置影響結(jié)構(gòu)抗震很明顯。

　　2.2豎向不規(guī)則

　　豎向不規(guī)則的類型分為側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)建不連續(xù)、樓層承載力突變�！兑�(guī)范》規(guī)定：建筑的豎向剖面宜規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)建的材料強(qiáng)度和截面尺寸宜自上而下逐漸增大，防止抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。根據(jù)《規(guī)范》的要求對建筑的的突變限度和高度進(jìn)行限制，避免產(chǎn)生豎向不規(guī)則類型，使豎向分布剛度和質(zhì)量比較均勻，防止產(chǎn)生突變，避免產(chǎn)生薄弱和扭轉(zhuǎn)。

　　3框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻受力特征

　　框剪結(jié)構(gòu)中能夠影響結(jié)構(gòu)剛度的因素有很多，諸如剪力墻的界面尺寸、數(shù)量、位置以及它自身的形狀等，其中對結(jié)構(gòu)剛度影響最深的是剛度理論。在框剪結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的剛度和剛度分布是由剪力墻布置的位置和數(shù)量決定的。《高層規(guī)程》將高層建筑分為兩級，即高層建筑(A級)，超限高層建筑(B級)，對應(yīng)于不同的抗震設(shè)計等級，不同結(jié)構(gòu)有不同的適用高度�？蚣艚Y(jié)構(gòu)中，發(fā)揮最大作用的是剪力墻。剪力墻是抗側(cè)力構(gòu)件，采用這種結(jié)構(gòu)時應(yīng)在兩個主軸外側(cè)布置剪力墻，從而形成雙向側(cè)力體系。框架結(jié)構(gòu)體系是利用梁柱組成的縱橫兩個方向的框架形成的結(jié)構(gòu)體系。它同時承受豎向荷載和水平荷載。其主要優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可形成較大的建筑空間，建筑立面處理比較方便。主要缺點(diǎn)是是橫向剛度小，當(dāng)層數(shù)較多時，會產(chǎn)生過大的側(cè)移，易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件(如隔墻，裝飾等)破壞進(jìn)而影響使用。在非地震區(qū)，框架結(jié)構(gòu)一般不超過15層。框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析通常是用計算機(jī)進(jìn)行精確分析�？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)也稱框剪結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，構(gòu)成靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的要求，同時又有足夠的剪力墻，有相當(dāng)大的側(cè)向剛度(剪力墻的側(cè)向剛度大就是指在水平荷載(風(fēng)荷載和水平地震力)的作用下抵抗變形能力強(qiáng))�？蚣芙Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是側(cè)向剛度小，當(dāng)層次較多時，全產(chǎn)生過大的側(cè)移，易引起非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件破壞而影響使用，但它具有平面布局靈活，可形成較大建筑空間的優(yōu)點(diǎn)，為了保留這個優(yōu)點(diǎn)，同時又提高其側(cè)向剛度，便產(chǎn)生了框架剪力墻結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在保留框架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上由于增設(shè)了抵抗剪力的剪力墻，從而地增加了其側(cè)身剛度，在這個結(jié)構(gòu)體系中剪力墻承擔(dān)了80%的以上的水平荷載，而其中的框架僅承擔(dān)了約20%，這與框架結(jié)構(gòu)中不管什么方向的荷載均由框架全部承擔(dān)的情況是不同的。當(dāng)建筑高度、設(shè)防烈度、建筑重要性類別、基底類別等均相同的情況下，對框架結(jié)構(gòu)中的框架要求要比框剪結(jié)構(gòu)中框架的要求等級要高得多。框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：建筑平面布置靈活，外墻立面設(shè)計也較為靈活，其變形特點(diǎn)為剪切變形和彎曲變形組合起來的剪切型變形，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少，易于標(biāo)準(zhǔn)化，定型化，在材料變形性能良好的時候，可以建造到30層，一般情況下15～20層為好。剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：整體性能好，剛度大，在水平作用下側(cè)向變形小，承載力要求也比較容易滿足，其側(cè)向變形為彎曲型，但是由于剪力墻的間距不能過大，所以其平面布置不夠靈活。為了克服其缺點(diǎn)，會使用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，跳層剪力墻結(jié)構(gòu)。

　　4高寬比對結(jié)構(gòu)的整體抗震及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

　　4.1整體抗震

　　所謂建筑結(jié)構(gòu)的動力作用就是地震作用，這不僅與地震強(qiáng)烈程度有關(guān)，而且很大的關(guān)系在于其本身的動力特性，剪重比和基底剪力是衡量結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的兩個常用指標(biāo)。高規(guī)推薦的高寬比是以6為界限，取高寬比以6的基底剪力為參考值的兩種結(jié)構(gòu)，得出結(jié)構(gòu)基地剪力在高寬比變化時，相對高寬比為6時的相對值(見圖1)。高寬比在增大時，結(jié)構(gòu)基底剪力大約呈線性增大，結(jié)構(gòu)受的地震力隨高度增大成比例增大，且剪力端結(jié)構(gòu)增長速度比較快。結(jié)構(gòu)重力載荷和水平地震作用之比在逐步增大，起初，下滑成都比較快，隨后變化就較穩(wěn)定，顯示了在結(jié)構(gòu)周期加長時，結(jié)構(gòu)更柔，地震反應(yīng)減小的優(yōu)點(diǎn)(見圖2)。

　　4.2經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

　　若僅從結(jié)構(gòu)安全角度看，目前高規(guī)中在實(shí)際設(shè)計工作中可以放寬高寬比限制。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)建筑高度增加時會出現(xiàn)兩方面的變化。一方面，高寬比比較大時，結(jié)構(gòu)側(cè)移將會隨之發(fā)生變化，呈正向關(guān)系增大，與此同時，抗傾覆能力和整體穩(wěn)定性則會受到負(fù)面影響，呈現(xiàn)下降趨勢;另一方面，水平荷載將會短時間出現(xiàn)變化，迅速增大。在水平荷載作用時，建筑頂部位移同傾覆力矩呈現(xiàn)正相關(guān)。具體而言，建筑物頂部位移越大，傾覆力矩越大，反之亦然，高度四次方成正比，同寬度成反比。為了使結(jié)構(gòu)剛度、抗傾覆能力和穩(wěn)定性足夠，需要增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，材料用量也會隨之增大，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性更差。

　　5提高高層建筑抗震性能的具體措施

　　在高層建筑的建造中，不僅要滿足材料的強(qiáng)度、硬度等要求，還應(yīng)使其具有較好的延展性，并在指定的部位具有屈服區(qū)域。具體分為以下方面：①提高高層建筑地基的穩(wěn)定性和其短柱的抗壓能力。提高剪跨比，從而減小短柱的截面積，提高抗震性能。其主要方法是采用等級較高的混凝土材料并與其他可提高材料延展性的方法相結(jié)合，運(yùn)用于實(shí)際施工中，提高抗震性能;②采用性能更為優(yōu)良的混凝土-鋼管混凝土柱來做建筑的整體結(jié)構(gòu)，有于鋼管內(nèi)部的混凝土一直處于受壓狀態(tài)，其相對應(yīng)的壓應(yīng)變及抗壓強(qiáng)度都得到了很大的提升，解決一般混凝土延展性不好的問題;③設(shè)計之初要進(jìn)行全面的分析。高層建筑結(jié)構(gòu)的模型在建設(shè)前能適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡化，但是其整體受力和關(guān)鍵部位的受力是絕對要在模型上體現(xiàn)出來的，構(gòu)件的參數(shù)及恢復(fù)力模型的選擇，應(yīng)該符合我國結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不能一味的抄襲已有的外國行業(yè)參數(shù)。根據(jù)地震等級的不同來選擇與之相對應(yīng)的彈塑性狀態(tài)，要從結(jié)構(gòu)的位移、承載力、抗壓力、屈服度、阻尼比等數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析和討論，正確的運(yùn)用到實(shí)際的施工中去。

　　6結(jié)束語

　　隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)日益繁榮，越來越多的高樓大廈拔地而起，給人們帶來便利和美的享受的同時，建筑行業(yè)更應(yīng)該關(guān)注的是高層建筑的抗震性能。自然災(zāi)害的發(fā)生總是那么的殘酷無情而且毫無征兆。要想更好的建設(shè)國家，就必須做到提前預(yù)防，在建筑本身做文章，提高其抗震性能和應(yīng)對各種自然災(zāi)害的能力。只有這樣才能讓人們在面對強(qiáng)大的天災(zāi)面前有足夠的反應(yīng)時間，才能真正的享受城市所帶來的便利。

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