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【關(guān)鍵詞】高層建筑;抗震;結(jié)構(gòu)設(shè)計
現(xiàn)今,我國的大部分城市內(nèi)都是高樓聳立,對于高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一項較復(fù)雜責(zé)任繁重的系統(tǒng)工程,尤其是抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計,其設(shè)計的好壞將直接影響高層建筑的工程質(zhì)量,特別是在地震多發(fā)區(qū),因此,這就需要設(shè)計人員要充分認(rèn)識高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中容易出現(xiàn)的問題,不斷進行總結(jié)和改進,以完善高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。
1 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題
1.1 高層建筑的高度問題
根據(jù)我國現(xiàn)行的相關(guān)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定,在一定設(shè)防烈度和一定結(jié)構(gòu)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(nèi),建筑的抗震性能是比較可靠地,但是目前,存在少數(shù)的高層建筑的高度超過了規(guī)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(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)計的一些相關(guān)參數(shù)也要重新選取。
1.2 結(jié)構(gòu)體系以及建筑材料的選用
結(jié)構(gòu)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(fā)區(qū),更應(yīng)該重視科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)體系以及建筑材料的選用。在我國,多部分的高層建筑結(jié)構(gòu)體系是鋼筋混凝土核心筒以及混合結(jié)構(gòu)為主,所以對于變形的控制通常要以這種結(jié)構(gòu)的位移值為基準(zhǔn)。但是,這種情況下,如果發(fā)生彎曲變形,導(dǎo)致的側(cè)移會比較大,進而增加鋼結(jié)構(gòu)的承受壓力,為了保證效果,使其控制在規(guī)范的側(cè)移值內(nèi),通常需要設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)或加大混凝土筒的剛度。
1.3 抗震設(shè)防烈度過低
根據(jù)可靠的數(shù)據(jù)以及專家分析,我國現(xiàn)行的高層建筑抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度遠遠不能滿足社會的需求,有數(shù)據(jù)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(jīng)濟科技都快速發(fā)展的情況下,我國的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)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(xiàn)行的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)過低,由于其結(jié)構(gòu)失效,經(jīng)常會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。
1.4 軸壓比與短柱問題
在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,如果是采用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(tài)下,避免受拉鋼筋的破損,進而降低高層建筑的整體結(jié)構(gòu)延性。
2 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則以及基本方法
2.1 抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則
2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體性
高層建筑的樓蓋對于其結(jié)構(gòu)的整體性占據(jù)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(cè)力的子結(jié)構(gòu)傳遞,尤其是當(dāng)這些子結(jié)構(gòu)的布置不均勻或過于復(fù)雜時,樓蓋就可以很好的將這些抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)組織起來,進行協(xié)同合作,來承受地震的作用。
2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡單性
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)的規(guī)范中對于結(jié)構(gòu)體系有明確的要求,即結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計越簡單,才能夠分析出結(jié)構(gòu)的計算模型、內(nèi)力以及位移,進而提高對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的預(yù)測的可靠性。
2.2 抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法
2.2.1 基于水平位移的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于水平位移的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是為了使結(jié)構(gòu)的變形能力能夠保持在預(yù)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(jù)界面的應(yīng)變大小以及分布,來確定建筑的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn),同時在確定構(gòu)件的變形值時,要以構(gòu)件的變形以及其與結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系來確定。首先,要充分研究高層建筑的一些簡單結(jié)構(gòu)的構(gòu)件變形,以及其與配筋的關(guān)系,嚴(yán)格按照變形的要求來設(shè)計合理的構(gòu)件,進而對建筑的整體結(jié)構(gòu)進入彈塑性后的變形與構(gòu)件變形的關(guān)系。因此,這時就要設(shè)計在大地震的作用下的變形,這也將是高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的未來的發(fā)展趨勢。
2.2.2 推廣使用隔震和消能減震設(shè)計
現(xiàn)今,在高層建筑的抗震設(shè)計中,多采用的是傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系,也就是延性結(jié)構(gòu)體系,主要是控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度,如果發(fā)生地震,就會使建筑的構(gòu)件進入非彈性的狀態(tài)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(yīng),避免建筑物的倒塌。此外,通過采用相關(guān)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(gòu)件,也可以增加高層建筑結(jié)構(gòu)的耗能能力,有助于減輕地震效應(yīng)。
2.2.3 降低高層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)的規(guī)定范圍內(nèi),尤其是在軟土層的地基上,可以增加高層建筑的層數(shù)。研究顯示,由于高層建筑的高度很大,重心也相應(yīng)較高,所以,建筑的重量越大,受地震作用的傾覆力矩的效應(yīng)就越大。
因此,在高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中,要盡量采用輕質(zhì)材料來填充高層建筑物的填充墻及隔墻。
2.2.4 設(shè)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(jié)構(gòu)如果只設(shè)置一道抗震防線,往往會只因首次的強烈地震就會遭到嚴(yán)重的破損,甚至倒塌。因此,有必要對高層建筑設(shè)置多道抗震防線。在一個高層建筑的抗震體系下,應(yīng)該由多個延性較好的分體系組成,當(dāng)?shù)谝坏揽拐鸱谰€遭到?jīng)_擊時,其他的抗震防線便能夠接替第一道防線繼續(xù)抵擋隨后的地震沖擊,通過多道防線的協(xié)同合作,可有效地防止高層建筑的倒塌。
3 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的前景
雖然我國的高層建筑水平穩(wěn)步的提升,但是在高層建筑抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍然面臨很多新的問題和挑戰(zhàn)。其中,首先對于影響高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果的關(guān)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(biāo)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(fù)合高性能的建筑材料的研發(fā),以促進抗震技術(shù),進而滿足高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求。其次,對于不同的抗震能力的需求,要采取相應(yīng)的抗震措施,設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件。因此,高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員在實際工作中,要根據(jù)自身的專業(yè)水平知識以及實際經(jīng)驗,并結(jié)合對具體的高層建筑的抗震性能要求及措施,來設(shè)計出符合抗震設(shè)防烈度標(biāo)準(zhǔn)的高層建筑結(jié)構(gòu)。另外,高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)體系也開始逐漸以柔性為主,而不在是傳統(tǒng)中的以硬性為主的結(jié)構(gòu)體系。最后,對于高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的計算方式也發(fā)生了改變,即從線性分析向非線性分析轉(zhuǎn)變,從確定性分析向非確定性分析轉(zhuǎn)變,從振型分解反應(yīng)分析向時程分析法轉(zhuǎn)變。
4 總結(jié):
綜上所述,高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個建筑工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),但是在我國高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計上處于起步階段,仍需要進一步的完善。因此,設(shè)計人員用綜合多方面的因素進行分析,同時,結(jié)合新型的高性能材料以及抗震結(jié)構(gòu)理念,以提高高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平,進而促進我國高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展。
參考文獻:
[1]李志.高層建筑抗震設(shè)計分析[J].中外建筑,2010(1).
[關(guān)鍵詞] 高層建筑 結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計
引言
我國是一個多地震國家,VII度以上的高烈度區(qū)覆蓋了1/2的國土,其中包括23個省會城市和2/3的百萬以上人口大城市。目前我國正處在經(jīng)濟和社會迅速發(fā)展的時期,高層建筑工程的建筑規(guī)模已經(jīng)位居世界之前列,而且可以預(yù)測:今后若干年,我國仍將是世界上高層建筑建設(shè)最多的國家。高層建筑是屬于柔性建筑一類,風(fēng)和地震作用是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要側(cè)向荷載,起著幾乎是決定性的作用。而地震又是一種常見且具有較大危害的自然災(zāi)害,進行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,減小建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的生命和財產(chǎn)損失,一直是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員和研究人員所關(guān)心和不懈努力去解決的問題。
結(jié)構(gòu)工程師按抗震設(shè)計要求進行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計,其目標(biāo)是希望使所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳,從而經(jīng)濟地實現(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性很強的循環(huán)、往復(fù)荷載,建筑物的地震破壞機理又十分復(fù)雜,存在著許多模糊和不確定因素,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)、材料時效、阻尼變化等多種因素,計算方法還很不完善,單靠微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)計算還很難使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震時真正確保具有良好的抗震能力。
一、建筑抗震設(shè)防目標(biāo)
在2001年版的《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2001)中,我國對建筑的抗震設(shè)防提出“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求,“三水準(zhǔn)”即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。在新版的《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2010)中也有相同的提法,它說明對于建筑的抗震設(shè)計,這樣的要求應(yīng)該是不變的。它傳達出了以下三個方面的含義:
(1)當(dāng)遭遇第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時,結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段,建筑物處于正常使用狀態(tài)。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此,要求建筑結(jié)構(gòu)滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗算,要求建筑的彈性變形不超過規(guī)定的彈性變形限值。
(2)當(dāng)遭遇第二設(shè)防烈度地震即相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時,結(jié)構(gòu)屈服進入非彈性變形階段,建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞。但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此,要求結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有阅芰?變形能力)不發(fā)生不可修復(fù)的脆性破壞。
(3)當(dāng)遭遇第三設(shè)防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時,結(jié)構(gòu)雖然破壞較重,但結(jié)構(gòu)的非彈性變形離結(jié)構(gòu)的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞,從而保障了人員的安全。因此,要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規(guī)定的彈塑性變形限值。
三個水準(zhǔn)烈度的地震作用水平,是按三個不同超越概率(或重現(xiàn)期)來區(qū)分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重現(xiàn)期50年;設(shè)防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重現(xiàn)期475年;罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重現(xiàn)期1641-2475年,平均約為2000年。
對建筑抗震的三個水準(zhǔn)設(shè)防要求,是通過“兩階段”設(shè)計來實現(xiàn)的,其方法步驟如下:
(1)第一階段:第一步采用與第一水準(zhǔn)烈度相應(yīng)的地震動參數(shù),先計算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng),與風(fēng)、重力荷載效應(yīng)組合,并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù),進行構(gòu)件截面設(shè)計,從而滿足第一水準(zhǔn)的強度要求;第二步是采用同一地震動參數(shù)計算出結(jié)構(gòu)的層間位移角,使其不超過抗震規(guī)范所規(guī)定的限值;同時采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施,保證結(jié)構(gòu)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(zhǔn)的變形要求。
(2)第二階段:采用與第三水準(zhǔn)相對應(yīng)的地震動參數(shù),計算出結(jié)構(gòu)(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié))的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規(guī)范的限值。并采用必要的抗震構(gòu)造措施,從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。
二、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震計算方法
新規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)對各類建筑結(jié)構(gòu)的抗震計算應(yīng)采用的方法作了以下規(guī)定:高度不超過40m,以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu),以及近似于單質(zhì)點體系的結(jié)構(gòu),可采用底部剪力法等簡化方法;少數(shù)類型的建筑結(jié)構(gòu),宜采用振型分解反應(yīng)譜方法;特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑,應(yīng)采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算,可取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。
三、建筑結(jié)構(gòu)抗震能力評估方法
3.1 彈塑性計量法
目前,彈塑性分析已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一個重要組成部分,國內(nèi)外大量地震震害教訓(xùn)表明,建于強震區(qū)的早期結(jié)構(gòu),具有較高的地震易損傷性。如何評定這些已建結(jié)構(gòu)的抗震性能,并據(jù)此進行合理的抗震加固,對最大限度的降低地震震害損失以及保護人民生命財產(chǎn)安全,都具有重要意義。
彈塑性分析法主要用于對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)或設(shè)計方案進行抗側(cè)力能力的計算,從而估計其抗震能力,自從基于性能的抗震設(shè)計理論提出之后,該方法的應(yīng)用范圍逐漸擴大到新建建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性抗震分析。這種方法與傳統(tǒng)的抗震靜力方法區(qū)別主要在于它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性性能并將設(shè)計反應(yīng)譜引入了計算過程和計算結(jié)果的解釋?;驹硎牵涸诮Y(jié)構(gòu)上施加豎向荷載并保持不變,同時施加某種分布的水平荷載,該水平荷載單調(diào)增加,構(gòu)件逐步屈服,從而得到結(jié)構(gòu)在橫向靜力作用下的彈塑性性能。正因為彈塑性計量法的這種特點,已經(jīng)在建筑結(jié)構(gòu)抗震能力評估領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用,而其中彈塑性靜力分析作為結(jié)構(gòu)彈塑性變形分析方法之一,以其實用性較強的優(yōu)點正受到越來越多的關(guān)注,已經(jīng)被列入我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》。
3.2 反應(yīng)譜法
反應(yīng)譜法是用動力方法計算質(zhì)點體系地震反應(yīng),建立反應(yīng)譜;再用加速度反應(yīng)譜計算結(jié)構(gòu)的最大慣性力作為結(jié)構(gòu)的等效地震荷載;然后按靜力方法進行結(jié)構(gòu)計算設(shè)計的方法,因此,它是一種擬靜力方法。我國抗震規(guī)范及高層規(guī)范都要求在高層建筑中用反應(yīng)譜方法計算等效地震力,一般有兩種方法 :①反應(yīng)譜底部剪力法,主要適用于當(dāng)結(jié)構(gòu)高度小于40m,沿高度方向質(zhì)量剛度分布比較均勻, 以第一振型為主的高層建筑;②反應(yīng)譜振型疊加法,當(dāng)把結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)進行分析時,采用平方和的平方根法(SRS方法) ;當(dāng)采用空間協(xié)同分析或空間分析方法時,考慮空間各振型的相互影響,采用完全二次方程法(CQC)方法,地震反應(yīng)完全平方組合)。當(dāng)然關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)抗震能力評估方法還有很多, 本文只是展示了這兩種比較基本而且使用幾率比較大的方法。
四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題
結(jié)合對新的抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011―2010)的理解及自己的工作實踐,個人認(rèn)為目前高層建筑抗震在結(jié)構(gòu)設(shè)計上設(shè)計需要注意以下幾個方面的問題:
1)結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇。 目前比較通用的計算軟件有:SATWE、TAT、TBSA等,但是,由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異,因此導(dǎo)致了各軟件的計算結(jié)果有或大或小的不同。所以,在進行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件,并從不同軟件相差較大的計算結(jié)果中,判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的,哪個又是意義不大的,這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中首要的工作。
否則,如果選擇了不合適的計算軟件,不但會浪費大量的時間和精力,而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。
2)是否需要地震力放大,考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。 該部分內(nèi)容實際上在新老規(guī)范中都有提及,只是,在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)。
3)振型數(shù)目是否足夠。 在新規(guī)范中增加一個振型參與系數(shù)的概念,并明確提出了該參數(shù)的限值。 由于在舊規(guī)范設(shè)計中,并未提出振型參與系數(shù)的概念,或即使有該概念,該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求,因此,在計算分析階段必須對計算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進行判斷,并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。
五、提高我國建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的建議
5.1 研究開發(fā)更為合理的結(jié)構(gòu)形式
隨著科技日益高速發(fā)展,自重輕、跨度大、功能多樣、施工周期短成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。因而,研制出輕質(zhì)高強的新型建筑材料,研究開發(fā)合理的結(jié)構(gòu)形式成為各種新型結(jié)構(gòu)體系應(yīng)運而生的前提和基礎(chǔ)。
5.2 材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題
在地震多發(fā)區(qū),采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系更為合理的問題應(yīng)該得到人們的重視。我國高層建筑中常采用的結(jié)構(gòu)體系有:框架、框架―剪力墻、剪力墻和筒體等幾種體系,這也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外,特別是地震區(qū),是以鋼結(jié)構(gòu)為主,而在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)卻占了90%,如此高比例的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu),國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受地震較大的考驗。
鋼結(jié)構(gòu)同混凝土結(jié)構(gòu)相比,具有優(yōu)越的強度、韌性和延性以及強度重量比, 總體上看抗震性能好,抗震能力強。震害調(diào)查表明,鋼結(jié)構(gòu)較少出現(xiàn)倒塌破壞情況。在高層建筑中采用框架――核心筒體系,因其比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少,又可減少柱子斷面,故常被業(yè)主所看中。鋼與混凝土的混合結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)往往要承受80%以上的地震層剪力,有的高達90%以上,由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移值為基準(zhǔn),但因其彎曲變形的側(cè)移較大,靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移,不僅增加了鋼結(jié)構(gòu)的負擔(dān),而且效果不大,有時不得不加大混凝土筒體的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu),形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值的要求。
在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時,常常需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成很大的剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變,常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的墻柱構(gòu)件的剪力突然加大,加強層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實現(xiàn)強柱弱梁。因此在需要設(shè)置加強層及轉(zhuǎn)換層時,要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式,盡量減小其本身剛度,減小其不利影響。
參考文獻
[1] 劉大海.高層建筑抗震設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.
關(guān)鍵詞 高層建筑;抗震分析;抗震設(shè)計
中圖分類號TU99 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708(2012)65-0024-02
20世紀(jì)80年代以來,在我國經(jīng)濟快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷提高的推動下,城市建筑的層數(shù)和高度不斷增加,原來越多的高層建筑遍布大小城市。在高層建筑的安全因素中,地震作為一種隨機的、尚不能準(zhǔn)確預(yù)見和準(zhǔn)確計算的外部作用必須給予充分的考慮。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū),地震基本烈度6度及其以上的可能面積幾乎占到全國面積的60%。所以,高層建筑的抗震抗震性能分析與設(shè)計便成為我們不得不面對的迫切課題。
1 我國高層建筑的抗震性能分析
1.1高層建筑抗震性能指標(biāo)與計算
我國目前的高層建筑抗震規(guī)范(GB50021-2001)提出了三個水準(zhǔn)的要求,即“小震不壞,中震可修,大震不倒”?;谶@一標(biāo)準(zhǔn),高層建筑的抗震性能指標(biāo)設(shè)計基本上是以本地區(qū)今后50年內(nèi),可能遭遇超越概率為10%的地震烈度為基本烈度,應(yīng)用反應(yīng)譜理論計算地震作用,以極限狀態(tài)方法設(shè)計構(gòu)建,并通過二階段設(shè)計法實現(xiàn)。1)第一階段按小震狀態(tài)作用和相關(guān)載荷效應(yīng)的共同組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)建可承載能力,得到該狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)彈性形變性,滿足第一水準(zhǔn)抗震要求;2)第二階段進行大震或罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算,達到第三水準(zhǔn)抗震目標(biāo)。由于經(jīng)濟發(fā)展水平和相關(guān)設(shè)計理念的限制,我國高層建筑的結(jié)構(gòu)性能安全度還有待大幅提高,在充分考慮空間作用、非彈性構(gòu)件、材料失效和阻尼變化等因素的前提下,以更科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計與施工確保高層建筑具有足夠的抗震可靠性。
1.2我國高層建筑的建筑材料和結(jié)構(gòu)體系與國際先進國家存在的差距
我國高層建筑常用框架、框架-剪力墻、剪力墻和筒體等幾種結(jié)構(gòu)體系,盡管這些在國際先進國家也常常采用,但選擇的材料卻存在差異。在國外發(fā)達地區(qū),高層建筑普遍以鋼結(jié)構(gòu)為主,而我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)卻占了90%。被建筑商屢屢看中的框架-核心筒體系,用鋼量比鋼結(jié)構(gòu)少,還減少柱子斷面,所以鋼筋混凝土內(nèi)往往要承受80%以上的震層剪力,有可能由于其彎曲變形引發(fā)較大側(cè)移。為了滿足規(guī)范側(cè)移限值,不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu),形成加強層。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)的強度、韌性、延性和強度重量比更優(yōu)越,抗震性能更好,抗震能力更強。
2 提高高層建筑的抗震性能的設(shè)計原則
2.1選擇合理的高層建筑結(jié)構(gòu)體系
合理選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系,提高高層建筑承載能力、變形能力及消減地震能量能力,是實現(xiàn)建筑物安全性、經(jīng)濟性的基礎(chǔ)。首先,要將抗震概念融匯在高層建筑設(shè)計中,全面考慮建筑物的平立面外形尺寸,抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)量分布,承載力分布等諸多因素,提倡平、立面簡單對稱,構(gòu)建規(guī)則的建筑布置,采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和細部處理,確保抗側(cè)力體系的剛度承載力上下變化連續(xù)、均勻。其次,要對有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形和建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力實施嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿炈?。建立起具有良好性能的多重抗震結(jié)構(gòu)框架。主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度的選擇應(yīng)大于規(guī)范的闕值,對結(jié)構(gòu)層間位移實行控制。形成良好的塑性內(nèi)力重分布能力,有效吸收和消耗地震能量所帶來的壓力。第三,遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件、強底層柱(墻)”的原則,對結(jié)構(gòu)承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等性能相對薄弱部位采取輔助措施。
2.2盡量選擇抗震性能突出的結(jié)構(gòu)材料
從某種意義上講,高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震能力,實質(zhì)是不同建筑構(gòu)件在地震來襲時其承載能力與延展能力的集合。這就要求我們在高層建筑中,根據(jù)建筑工程的條件,優(yōu)選抗震性能突出的結(jié)構(gòu)材料。按照抗震性能比較,不同材料的結(jié)構(gòu)類型性能等級排序為:鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋砌體結(jié)構(gòu)。目前我國鋼材產(chǎn)量巨大,供應(yīng)充沛。因此,盡可能采用鋼結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。通過減小柱斷面尺寸,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在高層建筑中還應(yīng)注意選用新型建筑結(jié)構(gòu)和材料,減輕結(jié)構(gòu)自重。在相同地基處理的情況下,利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右,從而降低建筑體的重心,減小地震作用時傾覆力矩,提高建筑體穩(wěn)定性,優(yōu)化其抗震性能。
2.3構(gòu)設(shè)多道抗震技術(shù)措施
構(gòu)設(shè)有效的技術(shù)措施是提高高層建筑抗震性能的重要因素。1)在建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中保持比較充裕的內(nèi)部、外部冗余度,適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強弱關(guān)系,建立一系列分布的屈服區(qū),使“有效屈服”保持較長階段,吸收和耗散地震能量;2)改變結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性,采取軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震等方式,減少地震能量輸入,減輕地震引發(fā)的結(jié)構(gòu)反應(yīng);3)采用新型復(fù)合材料鋼纖維混凝土,阻滯帶基體混凝土裂縫的形成,提高建筑混凝土的抗拉、抗彎、抗剪強度,改善建筑結(jié)構(gòu)的抗沖擊、抗疲勞、裂后韌性和耐久性;4)采用鋼管混凝土柱。在鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)中,鋼管既是縱筋,又是橫向箍筋。通過鋼管內(nèi)混凝土受到鋼管側(cè)向約束導(dǎo)致的三向受壓,以及鋼骨本身良好的塑性,提高混凝土的延性、抗壓強度和極限壓應(yīng)變。
由于高層建筑在我們的建筑史較短,還沒有經(jīng)歷過太多地震的考驗,抗震設(shè)防仍然處在摸索階段。所以,我們應(yīng)該清醒認(rèn)識我國高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能,研究國際高層抗震設(shè)計發(fā)展的趨勢,為提高我國高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力做出應(yīng)有的貢獻。
參考文獻
[1]牛發(fā)民.高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計.建筑設(shè)計管理,2011(7).
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;SATWE軟件;計算;信息判讀
Abstract: building structure design codes in the structure, design calculation, reinforcement structure reliability has a major update and supplement, especially for the earthquake and the integrity of the structure and regularity made a higher demand. Now in SATWE software calculation results, for example, the results of related parameters, according to relevant provisions in the building structure design codes and related specifications, structural design and calculation result rationality judgment, to determine the scientificity and rationality of the structure.
Keywords: building structure design; SATWE software; Calculation; Information interpretation.
中圖分類號:TU318
文獻標(biāo)識碼:A文章編號:2095-2104(2013)
規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)主要有:周期比、位移比、剛度比、剛重比、剪重比、層間受剪承載力之比,傾覆力距比,層間位移角限值,軸壓比,有效質(zhì)量系數(shù)。
一、周期比
是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。它的目的是使抗側(cè)力的構(gòu)件的平面布置更有效更合理,使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。也就是說,周期比不是要求就構(gòu)足夠結(jié)實,而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010 )3.4.5條關(guān)于周期比的規(guī)定:結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比,A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9,B級高度高層建筑、超過A級高度及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。
如果周期比不滿足規(guī)范的要求,說明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯,一般只能通過調(diào)整平面布置來改善。這種改善一般是整體性的,局部小調(diào)整往往收效甚微??偟恼{(diào)整原則是要加強結(jié)構(gòu)外圈,或者削弱內(nèi)筒。增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度,降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度,以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。
設(shè)計軟件不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比,需要設(shè)計人員根據(jù)計算書中周期值自行判定第一扭轉(zhuǎn)(平動)周期。以下介紹實用周期比計算方法:1)扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的判斷:從計算書中找出所有扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5的平動周期,按周期值從大到小排列。同理,將所有平動系數(shù)大于0.5的平動周期值從大到小排列;2)第一周期的判斷:從列隊中選出數(shù)值最大的扭轉(zhuǎn)(平動)周期,查看軟件的“結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖”,看該周期值所對應(yīng)的振型的空間振動是否為整體振動,如果其僅僅引起局部振動,則不能作為第一扭轉(zhuǎn)(平動)周期,要從隊列中取出下一個周期進行考察,以此類推,直到選出不僅周期值較大而且其對應(yīng)的振型為結(jié)構(gòu)整體振動的值即為第一扭轉(zhuǎn)(平動)周期;3)周期比計算:將第一扭轉(zhuǎn)周期值除以第一平動周期即可。
二、位移比(層間位移比)
位移比的大小是判斷結(jié)構(gòu)是否規(guī)則的重要依據(jù),取值為樓層最大桿件位移與平均桿件位移比值。位移比是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的參數(shù)。主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性,以免形成扭轉(zhuǎn),對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)3.4.4.1.1)條關(guān)于層間位移比的規(guī)定:扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時,應(yīng)計入扭轉(zhuǎn)影響,且樓層豎向構(gòu)件最大的最大彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍,當(dāng)最大層間位移遠小于規(guī)范限值時,可適當(dāng)放寬.
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)3.4.5條關(guān)于層間位移比的規(guī)定:結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)影響,在考慮偶然偏心的規(guī)定水平地震力作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移角,A級高度高層建筑均不宜大于樓層平均值的1.2倍,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍;B級高度高層建筑、超過A級高度及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。
需要指出的是,規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的,如果在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定了彈性板,則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時選擇“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”,以便計算出正確的位移比。在位移比滿足要求后,再去掉“對所有樓層強制采用剛性樓板假定的選擇,以彈性樓板設(shè)定進行后續(xù)配筋計算。
此外,驗算位移比需要考慮偶然偏心,驗算層間位移角則不需要考慮偶然偏心,位移比超過1.2,需要考慮雙向地震。
三、剛度比
剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性,以免豎向剛度突變,形成薄弱層。
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)范附錄E2.1規(guī)定,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上下層的側(cè)向剛度比不宜大于2。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)3.5.2條規(guī)定,抗震設(shè)計時,高層建筑相鄰樓層的側(cè)向剛度變化應(yīng)符合下列規(guī)定:
1 對框架結(jié)構(gòu),樓層與其相鄰的上層的側(cè)向剛度比γ1可按下式計算,且本層與相鄰上層的比值不宜小于0.7,與相鄰上部三層剛度平均值的比值不宜小于0.8
2 對框架-剪力墻、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu), 樓層與其相鄰的上層的側(cè)向剛度比γ2可按下式計算,且本層與相鄰上層的比值不宜小于0.9,當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時,該比值不宜小于1.1;對結(jié)構(gòu)底部嵌固層,該比值不宜小于1.5.
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)5.3.7條規(guī)定,高層建筑結(jié)構(gòu)整體計算中,當(dāng)?shù)叵率业捻敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時,地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2.
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)附錄E轉(zhuǎn)換層上,下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度規(guī)定:
E.0.1:當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1,2層時,可近似采用轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比γe1表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變化, γe1宜接近1,非抗震設(shè)計時γ不應(yīng)小于0.4,抗震設(shè)計時不應(yīng)小于0.5.
E.0.2:當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在2層時,轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比不應(yīng)小于0.6.
E.0.3:底部大空間層數(shù)2層以上時,轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe2宜接近1,非抗震設(shè)計時γe2不應(yīng)小于0.5,抗震設(shè)計時e2不應(yīng)小于0.8。
上述所有這些剛度比的控制,都涉及到樓層剛度的計算方法。
相關(guān)計算公式: γ1 (3.5.2-1); γ2(3.5.2-2); γe1(E.0.1-1); γe2(E.0.3)
對剛度比規(guī)范要求對地震剪力相應(yīng)調(diào)整:
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)3.4.4.2條規(guī)定,平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑,剛度小的樓層的地震剪力應(yīng)乘以不小于1.15的增大系數(shù);
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)3.4.4條規(guī)定,豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時,該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)根據(jù)烈度高低和水平轉(zhuǎn)換構(gòu)建的類型、受力情況、幾何尺寸等,乘以1.25-2.0的增大系數(shù);
針對這些條文,程序通過自動計算樓層剛度比, 來決定是否采用1.15的樓層剪力增大系數(shù);并且允許用戶強制指定薄弱層位置,對用戶指定的薄弱層也采用1.15的樓層剪力增大系數(shù)(參數(shù)補充輸入)
,還可以通過用戶指定轉(zhuǎn)換梁、框支柱來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力放
大。(特殊構(gòu)件補充定義)
四、剛重比
剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素,也是影響重力二階效的主要參數(shù)。重力二階效應(yīng)一般稱為P-DELT效應(yīng),在建筑結(jié)構(gòu)分析中指的是豎向荷載的側(cè)移效應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移時,豎向荷載就會出現(xiàn)垂直于變形后的結(jié)構(gòu)豎向軸線的分量,這個分量將加大水平位移量,同時也會加大相應(yīng)的內(nèi)力,這在本質(zhì)上是一種幾何非線性效應(yīng)。
該值如果不滿足要求,則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)(5.4.1)條規(guī)定:當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)滿足下列規(guī)定時,彈性計算分析時可不考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。
1 剪力墻結(jié)構(gòu),框架-剪力墻結(jié)構(gòu),筒體結(jié)構(gòu):
n
EJd≥2.7H²∑Gi (5.4.1-1)
J=i
2 剪力墻結(jié)構(gòu),框架-剪力墻結(jié)構(gòu),筒體結(jié)構(gòu):
n
Di≥20∑Gi/hi (i=1,2,….,n)(5.4.1-2)
J=i
(5.4.2)條規(guī)定:高層建筑結(jié)構(gòu)如果不滿足本規(guī)程第 5.4.1條的規(guī)定時,結(jié)構(gòu)彈性計算時應(yīng)考慮重力二階效應(yīng)對水平力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不利影響??紤]P-DELT效應(yīng)后,結(jié)構(gòu)周期一般會變得稍長,這是符合實際情況的。
(5.4.4)條(強制條文):高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性應(yīng)符合下列規(guī)定:
1 剪力墻結(jié)構(gòu),框架-剪力墻結(jié)構(gòu),筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下式要求:
n
EJd≥1.4H²∑Gi (5.4.4-1)
J=i
2 框架結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下式要求:
n
Di≥10∑Gi/hi (i=1,2,….,n) (5.4.4-2)
J=i
高寬比不超過5的高層建筑結(jié)構(gòu),其整體穩(wěn)定性是滿足要求的,不必驗算,當(dāng)建筑物的高寬比小于5時,一般都能滿足抗傾覆驗算,但當(dāng)設(shè)防烈度為9度,則不一定。
五、剪重比
剪重比是抗震設(shè)計中非常重要的參數(shù)。規(guī)范之所以規(guī)定剪重比,主要是因為長期作用下,地震影響系數(shù)下降較快,由此計算出來的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對于長周期結(jié)構(gòu),地震動態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用,但采用振型分解法時無法對此作出準(zhǔn)確的計算。因此,出于安全考慮,規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值,該值如果不滿足要求,則說明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位,必須進行調(diào)整。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)4.3.12條;《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)5.2.5條(強制條文):抗震驗算時,結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力應(yīng)符合下式要求:
n
VEki≥λ∑Gi (3.3.13)
J=1
樓層最小地震剪力系數(shù)值
注: 1基本周期介于3.5s和0.5s之間的結(jié)構(gòu),應(yīng)允許線性插入取值;
7,8度時括號內(nèi)數(shù)值分別用于設(shè)計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)
程序?qū)λ愠龅摹皹菍幼钚〉卣鸺袅ο禂?shù)”如果不滿足規(guī)范的要求,將給出是否調(diào)整地震剪力的選擇。根據(jù)規(guī)范組的解釋,如果不滿足,就應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)方案,直到達到規(guī)范的值為止,而不能簡單的調(diào)大地震力。
六、層間受剪承載力之比
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)3.5.3條:A級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%,不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%,B級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的75%。注:樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上,該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和。
七、傾覆力距比
1)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)7.1.8條相關(guān)規(guī)定:抗震設(shè)計時,高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部采用為短肢剪力墻。B級高度高層建筑以及抗震設(shè)防烈度為9度的A級高度高層建筑,不宜布置短肢剪力墻,不應(yīng)采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu).當(dāng)采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)時,應(yīng)符合下列規(guī)定:
1 在規(guī)定的水平地震作用下,短肢剪力墻承擔(dān)的底部傾覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力距的50%
2 房屋適用高度應(yīng)比本規(guī)程規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度適當(dāng)降低,7度8度(0.2)和8度(0.3)時分別不應(yīng)大于100M 、80M和60M.
2)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)第6.1.9條:底層框架部分承擔(dān)的地震傾覆力矩,不應(yīng)大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%.
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)第8.1.3條規(guī)定,
抗震設(shè)計的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),應(yīng)根據(jù)在規(guī)定的水平力作用下,結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值,確定相應(yīng)的設(shè)計方法.
八、層間位移角限值
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)5.5.1條:
表5.5.1彈性層間位移角限值
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)5.5.5條:
表5.5.1彈塑性層間位移角限值
九、軸壓比
主要為控制結(jié)構(gòu)的延性,規(guī)范對墻肢和柱均有相應(yīng)限值要求
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)6.3.6條規(guī)定:
表6.3.7 柱軸壓比限值
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)6.4.5條;《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)7.2.13條規(guī)定:一級和二級抗震墻,底部加強部位在重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比,一級(9度)時不宜大于0.4,一級(7,8度)時不宜大于0.5,二,三級不宜大于0.6。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)7.1.2.4條規(guī)定,抗震設(shè)計時,各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下的軸力設(shè)計值的軸壓比,抗震等級為一、二、三時分別不宜大于0.45、0.50、0.55;一字形截面短肢剪力墻的軸壓比限值應(yīng)相應(yīng)降低0.1。
十、有效質(zhì)量系數(shù)
要密切關(guān)注有效質(zhì)量系數(shù)是否達到了要求。若不夠,則地震作用計算也就失去了意義。 粗略估計,振型數(shù)不應(yīng)小于15,多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍,采用剛性樓板假定,平動
參考文獻
【關(guān)鍵詞】 彎曲變形;相對剛度;側(cè)向剛度比
【中圖分類號】 TU971 【文獻標(biāo)識碼】 C【文章編號】 1727-5123(2011)02-132-03
1前言
為適應(yīng)現(xiàn)代建筑體型造型日趨復(fù)雜的需要,保證建筑結(jié)構(gòu)豎向剛度變化的均勻性,防止出現(xiàn)剛度突變的情況,國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范規(guī)程對建筑結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度及其沿結(jié)構(gòu)高度變化情況均作出明確規(guī)定,通過控制層剛度比可以直觀地把握結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度沿豎向分布的不均勻程度,衡量結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則與否以及是否形成結(jié)構(gòu)薄弱層、地下室能否作為嵌固端、轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求等等。
本文通過分析以剪切變形為主和以彎曲變形為主的高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下樓層側(cè)向剛度及其比值,得到目前《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)中采用地震剪力和位移比值的剛度計算方法對彎曲變形為主的建筑結(jié)構(gòu)是不太合適的。
2剛度計算方法
我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)為了控制建筑結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則性,提出了側(cè)向剛度比的控制指標(biāo),并根據(jù)不同的應(yīng)用范圍,提出三種剛度比的計算方法,即地震剪力和地震層間位移比(以下簡稱有效剛度)、剪切剛度和剪彎剛度。
本文提出采用相對剛度的方法計算樓層側(cè)向剛度,即樓層剪力和層間位移角的比值。
2.1有效剛度(地震剪力和地震層間位移的比值)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.4.2和3.4.3條及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.4.2條的條文說明中建議的方法,樓層的側(cè)向剛度可取地震作用下的層剪力與層間位移的比值計算,其剛度的計算公式為:
4結(jié)論
由以上算例和工程實例可見,對于以剪切變形為主的結(jié)構(gòu),采用國內(nèi)規(guī)范的有效剛度的方法判斷樓層側(cè)向剛度是否突變是合理的。而對于以彎曲變形為主的高層建筑結(jié)構(gòu),采用目前國內(nèi)規(guī)范的相關(guān)條文均無法合理地控制樓層側(cè)向剛度變化;而按照相對剛的方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)概念以及工程經(jīng)驗是一致的,可以有效的反映樓層側(cè)向剛度的變化。
參考文獻
1中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.JGJ3-2002.北京.中國建筑出版社,2002
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5黃小坤等.高層建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化及其控制方法研究(II).工程抗震與加固改造,2005.12
6胡興福等.帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度計算的規(guī)范方法研究.四川建筑科學(xué)研究,2006.6
7徐培福等.剪力墻豎向不連續(xù)結(jié)構(gòu)的震害與抗震設(shè)計概念. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2004.10
【關(guān)鍵詞】高烈度;高層建筑;抗震設(shè)計
伴隨著我國高層建筑的不斷發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)主要是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu),這是做為建筑高抗震要求的首選結(jié)構(gòu)材質(zhì)?;旌峡蚣芎诵耐步Y(jié)構(gòu)是由型鋼框架、混凝土核心筒與伸臂桁架組成的一種具有多道抗震防線的高層結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系主要是由伸臂桁架構(gòu)造加強層,不僅使結(jié)構(gòu)傳力路勁明確,并且利用了外框柱的軸向剛度來提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度。
一、高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目標(biāo)及原則
(1)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目標(biāo)
高層建筑進行結(jié)構(gòu)分析以及設(shè)計,主要目標(biāo)就是使設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)在強度、穩(wěn)定性、剛度、延展性以及耗能能力等方面達到最佳效果,最終實現(xiàn):“小震不壞,中震可修,大震不倒”的目的。
(2)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則
1)結(jié)構(gòu)材料以及體系的選擇
高層建筑使用的材料應(yīng)該具有材質(zhì)輕、密度大以及強度高的特點,這樣一來,構(gòu)造的建筑才有連續(xù)性、整體性以及延展性,將建筑結(jié)構(gòu)的整體強度發(fā)揮出來,最終提高防震的功效。
到目前為止,鋼結(jié)構(gòu)以及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在抗震方面有很強的作用,做為高層建筑抗震要求的首選結(jié)構(gòu)材質(zhì),另外,其他的建筑結(jié)構(gòu)也可以用于對抗震要求不高的高層建筑中,在選擇結(jié)構(gòu)材料以及體系時,應(yīng)該堅持經(jīng)濟度比較高并且符合抗震性能的原則。
2)建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性
建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性對于抗震作用比較大,不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)不利于抗震。因為建筑結(jié)構(gòu)具有規(guī)則以及對稱的剖面結(jié)構(gòu),地震對建筑物帶來的搖晃有一定的支撐作用,從而起到很好的抗震效果。從建筑豎向剖面理論來說,豎向抗側(cè)力構(gòu)建的截面尺寸以及材料強度應(yīng)該自下而上的逐漸減少,這樣就能夠避免測力結(jié)構(gòu)的承載力突變。因此,對于沒有特殊要求的高層建筑物,應(yīng)該盡量避免過于規(guī)則的結(jié)構(gòu)組成,不能一味的追求其視覺效果,更多的注重抗震要求。當(dāng)然,對于有特殊要求設(shè)計成不規(guī)則的高層建筑,在進行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時,應(yīng)該使用計算機進行模擬,近乎準(zhǔn)確的模擬出結(jié)構(gòu)與地震水平之間的作用,從而采取預(yù)防措施,相應(yīng)的做出內(nèi)力調(diào)整,最終提高整體的抗震能力。
3)多道防震體系
一般情況下,一次地震不會造成持續(xù)的震動,但是可能會造成接連不斷的余震,盡管強度不大,但是從持續(xù)時間以及反復(fù)次數(shù)上來說,在一定程度上對建筑物造成不同程度的損壞。高層建筑物只是采取單體的結(jié)構(gòu),一旦遭遇到破壞時就會難以應(yīng)付接踵而來的持續(xù)余震,最終導(dǎo)致建筑物坍塌。針對此種現(xiàn)象,就必須設(shè)立多道防震體系。設(shè)立多道防震體系,及時第一道防震線被摧毀,還有第二道以及第三道防震線,就能夠很好的躲避反復(fù)的余震帶來的破壞,大大的降低了危險指數(shù),增加了抗震能力[1]。
二、高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及應(yīng)注意的問題
1、控制結(jié)構(gòu)超限現(xiàn)象以及相關(guān)的解決措施
高層建筑結(jié)構(gòu)超限符合以下幾個條件:①當(dāng)房屋高度超過120.10米,超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)房屋最大使用高度A級最大高度100米,B級120米的限值;②標(biāo)準(zhǔn)層在水平地震考慮質(zhì)量偶然偏心作用下,結(jié)構(gòu)樓層的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則平面以及結(jié)構(gòu);③標(biāo)準(zhǔn)層樓存在凹凸不規(guī)則現(xiàn)象。
控制結(jié)構(gòu)超限的措施:對于結(jié)構(gòu)薄弱位置,在框架柱內(nèi)設(shè)置芯柱,提高其承載力以及抗震安全性;控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)比,使結(jié)構(gòu)樓層的扭轉(zhuǎn)位移比小于1.2;對于個別框支墻柱按照中震彈性以及小震計算結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計,滿足中震彈性的抗震性能目標(biāo);依次類推,標(biāo)準(zhǔn)層的個別框支墻柱則按照中震計算結(jié)果,滿足中震不屈服的抗震性能目標(biāo);根據(jù)彈塑性實程分析結(jié)果,連梁以及框架梁出現(xiàn)彎曲塑性鉸,梁端塑性鉸在各個樓層分布較為均勻,反應(yīng)歷程中最大層間位移角小于1/120,滿足規(guī)范要求[2]。
2、超限高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析
結(jié)構(gòu)彈塑性分析主要是根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,采用美國CSI公司的Perform3D 軟件進行彈性分析。該軟件能夠很好的體現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計理念,在軟件中引進了美國基于性能的設(shè)計規(guī)范,對結(jié)構(gòu)進行彈塑性狀態(tài)下的地震性能做出準(zhǔn)確評估。
高層建筑抗震性能設(shè)計指標(biāo),主要是對不同設(shè)防目標(biāo)的建筑物采用不同的抗震要求,美國公司提出了一種結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)分為三個等級以及兩個范圍,分別采用S-1到S-5來表示:S-1稱之為“立即可用性能水準(zhǔn)”, S-2稱之為“破壞控制性能范圍”, S-3稱之為“生命安全性能水準(zhǔn)”, S-4稱之為“極限安全性能范圍”, S-5稱之為“防治倒塌性能水準(zhǔn)”,因此,根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計制定了較為詳細的抗震性能目標(biāo),如下表1所示:
彈塑性的精力計算主要是采用靜力退服分析方法,對三維結(jié)構(gòu)模型施加X向以及Y向的側(cè)向荷載,經(jīng)過計算之后,在同一坐標(biāo)體系中繪制出結(jié)構(gòu),在計算的結(jié)果中,結(jié)構(gòu)在X向側(cè)向荷載以及Y向側(cè)向荷載作用力下,能力曲線與需求曲線都沒有交點,并且能力曲線已經(jīng)超越了最高點,呈現(xiàn)下降的趨勢,在罕遇地震下變形計算,如下圖4所示:
結(jié)構(gòu)在加固之前,在中震以及罕遇地震下,X向以及Y向的地震波,框架柱以及框架上就會有大量的塑性鉸產(chǎn)生。產(chǎn)生的塑性鉸超過總數(shù)的55%,在整個結(jié)構(gòu)中就會有大部分的構(gòu)件進入到屈服狀態(tài)下,在中震以及罕遇震下的建筑結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布情況,如下圖5所示:
3、抗震加固設(shè)計
對于高層建筑物的框架柱應(yīng)該采用外包鋼筋混凝土從而加大截面,并且適當(dāng)?shù)募哟蟊∪鯇又约翱鐚又闹麂摻?,增加鋼筋網(wǎng),對原來的框架梁以及作用設(shè)備荷載比較大,承載力不足的次梁應(yīng)該采用高強度的鋼鉸線,最終提高抗震能力。使用此種方法,由于只是對框架柱進行抗震加固,以及增加了截面,因此,在加固之后,不會出現(xiàn)部分框架柱不屈服的現(xiàn)象,對主梁以及次梁進行抗震加固,能夠使絕大部分的構(gòu)件滿足抗震要求。如下圖6所示:
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;
Abstract: With the development of modern society, and the increase of the high-rise buildings, structural seismic analysis and design has been more and more important. Seismic design not only need to prevent the building from collapsing, and also to effectively control the destruction state according to the purposes and importance, which calls for multiple requirements to the target of seismic structure. Key words: building structure; seismic design
中圖分類號:TU318文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-2104(2012)
前言
地震是威脅人類安全的主要自然災(zāi)害之一。我國是一個地震多發(fā)的國家,分布廣、頻率高、強度大、震源淺,是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。近幾年來,各國歷次地震對人類造成了嚴(yán)重災(zāi)害,通過總結(jié)大量的經(jīng)驗教訓(xùn),促使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計不斷發(fā)展。建筑抗震的實踐表明,一個地震區(qū)建筑物,如果沒有良好的建筑總體布置方案,單靠結(jié)構(gòu)抗震計算和抗震的構(gòu)造措施,在較強烈的地震作用下,仍是難以取得建筑抗震的較好效果,甚至減輕不了建筑物的震害程度。因此,只有建筑設(shè)計與建筑抗震設(shè)計有機地結(jié)合起來,建筑抗震設(shè)計水平才能達到一個比較完善的高度。
1 目前我國抗震設(shè)計中存在的不足
通過多年對于建筑抗震設(shè)計的研究,我國逐漸形成了自己的一套較為先進的抗震設(shè)計方法而且日益成熟,但是也有許多考慮欠妥的地方,需要我們今后加以完善。首先,與國外規(guī)范相比,我國抗震規(guī)范在對關(guān)系的認(rèn)識上還存在一定的差距。美國UBC規(guī)范按同樣原則來劃分延性等級,但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級,在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級。這幾種抗震思路都是符合規(guī)律的,而目前我國將地震作用降低系數(shù)統(tǒng)一取為2.86,而且還把用于結(jié)構(gòu)截面承載能力設(shè)計和變形驗算的小震賦予一個固定的統(tǒng)計意義。另外,我國規(guī)定的“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)也存在一定的問題。該設(shè)防目標(biāo)對甲類、乙類、丙類這三類重要性不同的建筑來說,并不都是恰當(dāng)?shù)?。最后,由于不同類別建筑的不同重要性,不宜再籠統(tǒng)的使用以上同一個性態(tài)目標(biāo)。此外,還應(yīng)該考慮建筑所有者的不同要求,選擇不同的設(shè)防目標(biāo),從而做到在性態(tài)目標(biāo)的選擇上更加靈活。
2 高層建筑抗震設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的問題
2.1 部分建筑物高度過高
按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定,在一定設(shè)防烈度和一定結(jié)構(gòu)型式下, 鋼筋混凝土高層建筑都有一個適宜的高度。在這個高度,抗震能力還是比較穩(wěn)妥的,但是目前不少高層建筑超過了高度限制。在震力作用下,超高限建筑物的變形破壞性會發(fā)生很大的變化,建筑物的抗震能力下降,很多影響因素也發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程預(yù)算的相應(yīng)參數(shù)需要重新選取。
2.2 地基的選取不合理
由于城市人口的增多和相對空間的縮小,不少建筑商忽略了這一問題,哪里商業(yè)空間大就在哪里建。高層建筑應(yīng)選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻中硬土場地,遠離河岸,不應(yīng)垮在兩類土壤上,避開不利地形、不采用震陷土作天然地基,避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段建造房屋。高層建筑的地基選取不恰當(dāng)可能導(dǎo)致抗震能力差。
2.3 材料的選用不科學(xué),結(jié)構(gòu)體系不合理
在地震多發(fā)區(qū),采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理應(yīng)該得到人們的重視。由于我國建筑結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土核心筒為主, 變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因其彎曲變形的側(cè)移較大,靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移,不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負擔(dān),而且效果不大,有時不得不加大混凝土的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu),形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。
2.4較低的抗震設(shè)防烈度
許多專家提出,現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度已不能適應(yīng)國情的需要, 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度水平應(yīng)該大幅度提高。我國現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是比較低的,中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為lO%的地震烈度,較低的抗震設(shè)防烈度放松了高層建筑的抗震要求。
2.5建筑外形與平面功能影響結(jié)構(gòu)布置
現(xiàn)在某些政府規(guī)劃部門領(lǐng)導(dǎo)根本不懂結(jié)構(gòu),純粹為了形象美觀而對建筑設(shè)計指指點點,從而使建筑偏離了建筑設(shè)計師的最初理念,你對他提出的修改意見不予理會,你就通不過。還有某些建筑設(shè)計師根本就缺乏抗震設(shè)計的概念,在高烈度區(qū)設(shè)計出高層建筑的大懸挑,這既增加了工程造價,有埋下了安全隱患,不負責(zé)任的叫囂“沒有做不出的結(jié)構(gòu)”,那要看付出的代價和收獲是不是對等。
3結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中概念設(shè)計
所謂“建筑抗震概念設(shè)計”是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想,是進行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細部構(gòu)造的過程。地震動是一種隨機振動,有難于把握的復(fù)雜性和不確定性,要準(zhǔn)確預(yù)測建筑物所遭遇的特性和參數(shù),目前尚難做到。在結(jié)構(gòu)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)、材料時效、阻尼變化等諸多因素,也存在著不確定性。因此抗震問題不能完全依賴計算結(jié)果。而是應(yīng)該立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經(jīng)驗總結(jié)的工程抗震基本概念,往往是構(gòu)造良好結(jié)構(gòu)性能的決定性因素??拐鸶拍钤O(shè)計主要有如下幾點:
3.1建筑選址。避免抗震危險地段,選擇對抗震有利的場地、地基和基礎(chǔ)在進行設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)工程需要,掌握地震活動情況和工程地質(zhì)的有關(guān)資料,作出綜合評價,宜選擇堅硬土或開闊平坦密實均勻的中硬土等有利地段;避開軟弱土、液化土、河岸和邊坡邊緣,平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層等不利地段;同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上,也不宜部分采用天然地基,部分用樁基,當(dāng)?shù)鼗熊浫躔ば酝痢⒁夯?、新近填土或?yán)重不均勻土層時,宜加強基礎(chǔ)的整體性和剛度。
Abstract: In addition to the impact of gravity load, the high-rise building will be subjected to horizontal load, so if it is affected by the earthquake, it is more likely to appear structural damage. In order to ensure the construction quality of the high-rise building project, it is necessary to combine with the characteristics of the structure, to carry on the comprehensive analysis on the main points of seismic design, to determine the technical points, to select the appropriate measures to optimize and reduce the impact of the factors from the fundamental point of departure. This paper gives a brief analysis on the anti-seismic design of high-rise building.
關(guān)鍵詞:高層建筑;抗震設(shè)計;施工技術(shù)
Key words: high-rise building;anti-seismic design;construction technology
中圖分類號:TU97 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-4311(2016)30-0089-02
0 引言
對高層建筑工程建設(shè)特點進行分析,其底部結(jié)構(gòu)受力大、上部結(jié)構(gòu)受力小,為降低地震作用影響,對其進行抗震設(shè)計時,需要基于工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性分析。結(jié)合目前高層建筑抗震設(shè)計所存不足,有的放矢的采取措施進行優(yōu)化,以不影響工程基礎(chǔ)功能為基本要求,提高工程抗震性能。
1 高層建筑抗震設(shè)計效果影響因素
1.1 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計
為提高工程抗震性能,必須要提高對結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的重視,保證可以達到小震不壞、大震不倒要求。對于很多高層建筑工程來說,平面布置復(fù)雜度過高,質(zhì)心與剛心存在偏差,受到地震作用時,產(chǎn)生的破壞更為嚴(yán)重。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,盡量要保證工程質(zhì)心與剛心重合[1]。另外,還要控制出屋面建筑部分高度,降低地震過程中的辮梢影響,提高工程抗震效果。
1.2 施工材料選擇
面對相同地震影響,所選材料質(zhì)量性能越好,結(jié)構(gòu)損傷程度越輕,相反則越為嚴(yán)重。為提高工程建設(shè)效果,應(yīng)選擇應(yīng)用隔斷、維護墻、樓板等構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,將傳統(tǒng)施工材料替換為質(zhì)量更輕的塑料板、空心磚、加氣混凝土板等,來提高工程結(jié)構(gòu)抗震性能[2]。同時,還需要將材料管理貫徹到每個施工環(huán)節(jié),嚴(yán)禁出現(xiàn)偷工減料行為,提高施工作業(yè)規(guī)范性,保證工程建設(shè)效果達到專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
1.3 工程建設(shè)環(huán)境
地震發(fā)生后對工程產(chǎn)生的影響是多方面的,如山體崩塌、巖石斷層、代表滑坡等地表運動,以及水災(zāi)、海嘯等次生災(zāi)害?;诟黜椧蛩貙ㄖこ坍a(chǎn)生的影響,想要進行預(yù)防需要提前采取措施,并保證工程建設(shè)效果達到專業(yè)要求。其中,更為重要的是,想要降低地震災(zāi)害的影響,需要合理選擇工程施工位置,提前對現(xiàn)場環(huán)境進行詳細勘察,掌握地質(zhì)地形特征,盡量避開不利地段,選擇有利于抗震的地段。
2 高層建筑抗震設(shè)計現(xiàn)存不足與解決方案
2.1 前期準(zhǔn)備不足
主要體現(xiàn)在施工現(xiàn)場與周邊區(qū)域地質(zhì)地形材料掌握不全面,不能為施工設(shè)計提供依據(jù)。就我國建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看,存在部分參建單位為降低成本,以縮短工期為目的,降低對前期準(zhǔn)備工作的管理要求,導(dǎo)致各項資料準(zhǔn)備不充分[3]。施工人員不了解現(xiàn)場地質(zhì)地形特點,完全按照設(shè)計方案施工,與實際情況存在較大差異,出現(xiàn)問題的概率較大,是影響工程抗震效果的重要因素。
為提高建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計效果,需要重視前期準(zhǔn)備工作,安排專業(yè)團隊對施工現(xiàn)場進行地質(zhì)勘察,掌握環(huán)境特征,將其作為影響因素進行分析,為抗震設(shè)計提供依據(jù)。建設(shè)與施工單位均要擺正態(tài)度,避免過分重視成本而取消前期準(zhǔn)備作業(yè),減少設(shè)計與實際差異,提高設(shè)計方案的可行性。
2.2 受力體系不當(dāng)
高層建筑工程因設(shè)計導(dǎo)致負重結(jié)構(gòu)不同,便會形成不同的受力體系。部分企業(yè)為降低施工難度,從工程受力體系角度出發(fā),考慮負重結(jié)構(gòu)要求,就會導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)受力體系與抗震性能產(chǎn)生沖突。尤其是現(xiàn)在高層建筑工程結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜,會在很大程度上影響建筑工程抗震性能,削弱結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性。
應(yīng)用結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型設(shè)計方法,對工程各類構(gòu)件均建立一個三維有限元模型,表征結(jié)構(gòu)平動與扭轉(zhuǎn)效應(yīng),提高受力體系設(shè)計合理性。盡量提高建筑數(shù)值模型細化度,并分析建筑反應(yīng)結(jié)構(gòu)性構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件交互作用,做好各個要素控制。對于只承擔(dān)重力荷載的結(jié)構(gòu)體系,要重點分析其對高層建筑抗震性態(tài)的影響。
2.3 平面布置缺陷
很多高層建筑工程建設(shè)時,為實現(xiàn)特點要求,導(dǎo)致其外型設(shè)計并不符合專業(yè)要求,經(jīng)常會出現(xiàn)平面不均衡、實際超設(shè)計長度等問題,不僅會增大施工難度,同時還會影響結(jié)構(gòu)性能[4]。
在對高層建筑工程進行抗震設(shè)計時,要針對平面結(jié)構(gòu)布置進行重點分析,避免因此方面缺陷而虛弱結(jié)構(gòu)抗震性能。高層建筑抗震設(shè)計中,不規(guī)則結(jié)構(gòu)往往使抗震設(shè)計與施工不能準(zhǔn)確確定均衡點,忽視薄弱環(huán)節(jié)施工要求,進而會影響整體施工效果。
3 高層建筑抗震設(shè)計要點
3.1 選擇科學(xué)結(jié)構(gòu)形式
建筑工程高度不斷增加,受地震作用影響也越來越嚴(yán)重,如果結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較低,很容易出現(xiàn)水平位移問題,增加了結(jié)構(gòu)安全隱患,同時在上下剛度不均勻變化的結(jié)構(gòu)中,各層的剛度中心未能在同一軸線上,甚至?xí)a(chǎn)生較大差距,因此,在選擇結(jié)構(gòu)形式時,需要結(jié)合工程建設(shè)環(huán)境特點,重點考慮結(jié)構(gòu)側(cè)移度,爭取提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。并且要總結(jié)以往經(jīng)驗,分析不同結(jié)構(gòu)形式所具有的特點,掌握其受力要求,保證所選結(jié)構(gòu)形式可以達到抗震設(shè)計要求。
3.2 加強施工現(xiàn)場管理
處于軟弱地基的工程,如果不采取措施處理,會因為地基穩(wěn)定性比較低,而造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降、倒塌等情況。這樣基于抗震要求,在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,需要重視現(xiàn)場管理,結(jié)合實際情況確定設(shè)計要點,且保證所選地點具有較高抗震優(yōu)勢,通過采取相應(yīng)措施對地基進行處理,提高其穩(wěn)定性,從根本上來提高工程整體抗震性能[5]。
3.3 多層次結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計
保證高層建筑主要耗能構(gòu)件具有符合規(guī)范要求的延伸性與剛?cè)嵝?,對地震產(chǎn)生的作用力起到有效的延緩作用,降低對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,同時還可以提高工程整體設(shè)計效果。另外,還要做好對高層建筑內(nèi)部構(gòu)件關(guān)系的分析,無論是哪一層耗能構(gòu)件出現(xiàn)屈服情況,均需要對其進行彈性檢測,確定其具有較長時間的抗倒塌與傾斜能力,提高工程抗震性能。
4 高層建筑抗震設(shè)計實例分析
4.1 工程概述
以某高層建筑工程為例,為一座綜合型辦公樓,總建筑面積62325.12m2,主體結(jié)構(gòu)為矩形平面,長×寬為32.500m×21.500m。其中,主樓地下1層為人防地下車庫,底面標(biāo)高-6.300m;地上16層,屋頂標(biāo)高57.300m,其中1層層高3.900m,2層層高4.500m,3~6層層高3.900m,7~15層典型層高3.600m,16層層高4.600m。另外,東西側(cè)裙房共4層,裙房頂標(biāo)高15.900m,地上與主樓設(shè)縫分開。主樓2~3層中間25.4m×24.3m范圍設(shè)置中庭上空,且1~4層中間不設(shè)置結(jié)構(gòu)柱。工程施工地標(biāo)準(zhǔn)雪壓取值0.40kN/m2(n=50),標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓取值0.45kN/m2(n=50),抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震分組為第二組。
4.2 抗震設(shè)計要點
①工程樓板局部不連續(xù)為樓板平面開大洞情況,需要在洞口周圍設(shè)置鋼筋混凝土梁,并適當(dāng)提高周圍樓板厚度與配筋。其在進行結(jié)構(gòu)計算時,洞口周邊一跨范圍樓板定義為彈性板,其余則按照剛性樓板設(shè)計。樓板開洞設(shè)計后共用結(jié)構(gòu)長、短柱,要重點做好跨層柱長度的計算與復(fù)核。提高短柱箍筋對直徑對應(yīng)抗震規(guī)范,且全部進行加高加密處理。而長柱則應(yīng)該選擇用型鋼混凝土柱,延伸到5層層頂,其中型鋼材料為HN800×400×20×40,同樣對所有箍筋進行加高加密處理。對于軸力設(shè)計值較大的墻肢選擇用承載力高的型鋼混凝土剪力墻,提高分布筋最小配筋率為0.35%~0.40%。
②主樓1~4層中間抽柱造成豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)性降低,為將4層設(shè)計成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層,需要重點做好其剛度的控制,尤其是加強下部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度,使轉(zhuǎn)換層上下主體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度平穩(wěn)過渡。同時,還可以提高剪力墻底部加強部位的抗震等級,而對于已經(jīng)為特一級的不需要提高。且為彌補結(jié)構(gòu)因布置樓梯與電梯井造成的板平面剛度減小,將板厚度提高到150mm,并選擇用雙層雙向通長配筋。
③對于4層層頂結(jié)構(gòu),豎向收進會對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度產(chǎn)生影響,為提高剪力墻整體剛度,設(shè)計時可以提高關(guān)鍵部位樓板厚度,或者是增加配筋數(shù)量。同時,還應(yīng)將收進部位樓板定義為彈性板計算,通過彈性時程分析法,對多遇地震進行補充計算。將框架部分承擔(dān)地震剪力進行調(diào)整,即調(diào)整值=MIN(0.2×底部總震剪力,1.5×樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中最大值)。
5 結(jié)束語
在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)建筑物的實際情況以及所處的地理位置進行設(shè)計,既要滿足其具有足夠的剛度又要避免結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性以及正常使用功能等?;趯I(yè)技術(shù),對施工現(xiàn)場特征進行分析,確定結(jié)構(gòu)設(shè)計要點,保證結(jié)構(gòu)具有較高安全性與穩(wěn)定性。
參考文獻:
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[2]劉建鑫.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析的主要內(nèi)容[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報,2014(02):111-116,110.
關(guān)鍵詞:高層建筑,結(jié)構(gòu)抗震,抗震設(shè)計,問題分析
Abstract: the structure of the high-rise building aseismic performance is of vital importance, this paper introduces the structural seismic design concept, this paper analyzes the high-rise buildings aseismic design of common problem, and points out that the structure of the high-rise building aseismatic measures and methods.
Keywords: high building, structure seismic, seismic design, problem analysis
中圖分類號:TU973+.31 文獻標(biāo)識碼:A文章編號:
1高層建筑的抗震設(shè)計理念
我國《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2001)對建筑的抗震設(shè)防提出“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求,“三水準(zhǔn)”即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。當(dāng)遭遇第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時,結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段,建筑物處于正常使用狀態(tài)。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此,要求建筑結(jié)構(gòu)滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗算,要求建筑的彈性變形不超過規(guī)定的彈性變形限值。當(dāng)遭遇第二設(shè)防烈度地震即相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時,結(jié)構(gòu)屈服進入非彈性變形階段,建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞。但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此,要求結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有阅芰Γㄗ冃文芰Γ┎话l(fā)生不可修復(fù)的脆性破壞。當(dāng)遭遇第三設(shè)防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時,結(jié)構(gòu)雖然破壞較重,但結(jié)構(gòu)的非彈性變形離結(jié)構(gòu)的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞,從而保障了人員的安全。因此,要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規(guī)定的彈塑性變形限值。
三個水準(zhǔn)烈度的地震作用水平,按三個不同超越概率(或重現(xiàn)期)來區(qū)分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重現(xiàn)期50年;設(shè)防烈度地震(基本地震):50年超越概率 10%,重現(xiàn)期475年;罕遇地震:50年超越概率 2%-3%,重現(xiàn)期 1641-2475年,平均約為2000年。
對建筑抗震的三個水準(zhǔn)設(shè)防要求,是通過“兩階段”設(shè)計來實現(xiàn)的,其方法步驟如下:第一階段:第一步采用與第一水準(zhǔn)烈度相應(yīng)的地震動參數(shù),先計算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng),與風(fēng)、重力荷載效應(yīng)組合,并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù),進行構(gòu)件截面設(shè)計,從而滿足第一水準(zhǔn)的強度要求;第二步是采用同一地震動參數(shù)計算出結(jié)構(gòu)的層間位移角,使其不超過抗震規(guī)范所規(guī)定的限值;同時采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施,保證結(jié)構(gòu)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(zhǔn)的變形要求。第二階段:采用與第三水準(zhǔn)相對應(yīng)的地震動參數(shù),計算出結(jié)構(gòu)(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié))的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規(guī)范的限值。并采用必要的抗震構(gòu)造措施,從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。
2 高層建筑抗震設(shè)計常見的問題
2.1 缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。有的在擴初設(shè)計階段還缺建筑場地巖土工程的勘察資料,有的在擴初設(shè)計會審之后就直接進入了施工圖設(shè)計,有的在規(guī)劃設(shè)計或方案設(shè)計會審后就直接進入了施工圖設(shè)計。無巖土工程勘察資料,設(shè)計缺少了必要的依據(jù)。結(jié)構(gòu)的平面布置中外形不規(guī)則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質(zhì)心偏心大,同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi),結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度不均勻不對稱,平面長度過長等。
2.2 一個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)采用兩種不同的結(jié)構(gòu)受力體系。如一半采用砌體承重,而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框磚房中一半為底框,而另一半為磚墻落地承重,這種情況常發(fā)現(xiàn)在平面縱軸與街道軸線相交的住宅,其底層為商店,設(shè)計成一半為底框磚房(有的為二層底框),而另一半為磚墻落地自承,造成平面剛度和豎向剛度二者都產(chǎn)生突變,對抗震十分不利。
2.3底框磚房超高超層。如1996年,對在杭設(shè)計單位作的一次專題普查,發(fā)現(xiàn)有69幢底框磚房超高超層。新項目亦普遍存在此現(xiàn)象,1999年某地塊住宅竣工交付使用驗收中發(fā)現(xiàn)有三幢底框磚房超高超層,甚至有超三層的。有一些項目擅自提高了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),按照《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)(GB 50223-95)》劃分應(yīng)屬六度設(shè)防的,但設(shè)計中提高了一度按七度設(shè)防,提高了建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),將會增加工程投資;有的項目嚴(yán)格應(yīng)按七度采取抗震措施的,但設(shè)計中又按六度設(shè)防,減低了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),不利抗震。
2.4在高層建筑中,豎向體型有過大的外挑和內(nèi)收,立面收進部分的尺寸比值B1/B不滿足≥0.75的要求??拐饦?gòu)造柱布置不當(dāng),如外墻轉(zhuǎn)角處,大廳四角未設(shè)構(gòu)造柱或構(gòu)造柱不成對設(shè)置;以構(gòu)造柱代替磚墻承重;山墻與縱墻交接處不設(shè)抗震構(gòu)造柱;過多設(shè)置抗震構(gòu)造柱等。砌體護墻砌筑在框架柱外又沒有設(shè)置抗震構(gòu)造柱,框架間砌體填充墻高度長度超過規(guī)范規(guī)定要求又沒有采取相應(yīng)構(gòu)造措施。
2.5 結(jié)構(gòu)其他問題。有的底層無橫向落地抗震墻,全部為框支或落地墻間距超長;有的僅北側(cè)縱墻落地,南側(cè)全為柱子,造成南北剛度不均;有的底層作汽車庫,設(shè)計時橫墻都落地,但縱墻不落地,變成了縱向框支;還有的底框和內(nèi)框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設(shè)計,其中幾乎很少有縱墻。不少地方都采用鋼筋混凝土內(nèi)柱來承重以代替磚墻承重,實際上將磚混結(jié)構(gòu)演變?yōu)閮?nèi)框架結(jié)構(gòu),這比底框磚房還不利,因內(nèi)框磚房的層數(shù)、總高度控制比底框磚房更嚴(yán),因此存在著嚴(yán)重抗震隱患。更為嚴(yán)重的是這種情況并未引起目前大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師的重視。
2.6 平面布局的剛度不均??拐鹪O(shè)計要求建筑的平、立面布置宜規(guī)正、對稱,建筑的質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻,否則應(yīng)考慮其不利影響。但有的平面設(shè)計存在嚴(yán)重的不對稱:一邊進深大,一邊進深??;一邊設(shè)計大開間,一邊為小房間;一邊墻落地承重,一邊又為柱承重。平面形狀采用L、π形不規(guī)則平面等,造成了縱向剛度不均,而底層作為汽車庫的住宅,一側(cè)為進出車需要,取消全部外縱墻,另一側(cè)不需進出車輛,因而墻直接落地,造成橫向剛度不均。這些都對抗震極為不利。 2.7防震縫設(shè)置。對于高層建筑存在下列三種情況時,宜設(shè)防震縫:①平面各項尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程(JGJ 3-91)》中表2.2.3的限值而無加強措施;②房屋有較大錯層;③各部分結(jié)構(gòu)的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施;但有的竟未采取任何抗震措施又未設(shè)防震縫。結(jié)構(gòu)抗震等級掌握不準(zhǔn),有的提高了,而有的又降低了,主要是對場地土類型、結(jié)構(gòu)類型、建筑高度、設(shè)防烈度等因素綜合評定不準(zhǔn)造成。
3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計
3.1抗震措施
在對結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中,除要考慮概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震驗算外,歷次地震后人們在限制建筑高度,提高結(jié)構(gòu)延性(限制結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)材料使用)等方面總結(jié)的抗震經(jīng)驗一直是各國規(guī)范重視的問題。當(dāng)前,在抗震設(shè)計中,從概念設(shè)計,抗震驗算及構(gòu)造措施等三方面入手,在將抗震與消震(結(jié)構(gòu)延性)結(jié)合的基礎(chǔ)上,建立設(shè)計地震力與結(jié)構(gòu)延性要求相互影響的雙重設(shè)計指標(biāo)和方法,直至進一步通過一些結(jié)構(gòu)措施(隔震措施,消能減震措施)來減震,即減小結(jié)構(gòu)上的地震作用使得建筑在地震中有良好而經(jīng)濟的抗震性能是當(dāng)代抗震設(shè)計規(guī)范發(fā)展的方向。而且,強柱弱梁,強剪弱彎和強節(jié)點弱構(gòu)件在提高結(jié)構(gòu)延性方面的作用已得到普遍的認(rèn)可。
3.2高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法
我國的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)對各類建筑結(jié)構(gòu)的抗震計算應(yīng)采用的方法作了以下規(guī)定:(1)高度不超過 40m,以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu),以及近似于單質(zhì)點體系的結(jié)構(gòu),可采用底部剪力法等簡化方法。(2)除1 款外的建筑結(jié)構(gòu),宜采用振型分解反應(yīng)譜方法。(3)特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑,應(yīng)采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算,可取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。