談高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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摘要:現(xiàn)如今,我國的大部分城市內(nèi)都是高樓聳立,然而高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較復(fù)雜又系統(tǒng)的工程,尤其是高層抗震的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是會直接影響到高層建筑的質(zhì)量,特別是在地震的多發(fā)區(qū),其影響更為嚴(yán)重,所以,這就需要設(shè)計(jì)人員要充分認(rèn)識高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的問題,同時進(jìn)行不斷總結(jié)和改進(jìn),從而促使高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步完善化。
關(guān)鍵詞:高層建筑;抗震結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)
隨著我國城鎮(zhèn)人口的持續(xù)性增多、城市規(guī)劃的進(jìn)一步拓展,在一定程度上促使我國高層建筑得到了迅速的發(fā)展。可是,受到地震等各種自然災(zāi)害頻頻出現(xiàn)的影響,人們的正常生活及生命財(cái)產(chǎn)受到了巨大的威脅,為此,高層建筑設(shè)計(jì)中,做好抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。
1高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
一是整體性原則。大家都知道,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,樓蓋則可以很好地將這些抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)組織起來,然后進(jìn)行協(xié)同合作,來承受地震的作用;二是簡單性原則。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡單性主要是指在地震的作用下,要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)體系也是有著明確的要求,即結(jié)構(gòu)體系要有明確的計(jì)算簡圖以及合理的地震作用傳遞途徑,換句話說就是,只有高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)足夠簡單,才能夠分析出結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、內(nèi)力以及位移,從而促使高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能得到真實(shí)性的可靠預(yù)測。
2高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法介紹
2.1正確挑選施工場地
對于高層建筑而言,挑選正確的施工場地是非常重要的。需遵循場地的種類對建筑的地震力進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算,同時需對場地做出系統(tǒng)性淺析,將地震的危害度進(jìn)行了解,按照相關(guān)規(guī)范做好建筑地基的處理,通過對地震強(qiáng)度、場地土層實(shí)際厚度、斷裂地質(zhì)的歷史等因素的分析確定地震的斷裂情況,這樣便能夠確定建筑物要避讓的距離,從而成功地避開對施工不利的地段,若沒辦法成功避開這些地段,那么就要選擇適合的抗震措施來加入到建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容當(dāng)中。高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,需在性質(zhì)一致的地基中進(jìn)行同一結(jié)構(gòu)單元的設(shè)置,盡可能地選擇相同的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)?shù)鼗邪夯痢⑿陆钔?、土層?yán)重不均勻等問題存在的情況下,需采取相應(yīng)的措施來進(jìn)一步強(qiáng)化地基的整體性和剛性,這樣才能夠促使高層建筑的穩(wěn)定性得到基礎(chǔ)的保證。譬如,底層框架結(jié)構(gòu)因其實(shí)用性是非常顯著的,為此得到了大范圍的投入使用,可是,此結(jié)構(gòu)的上層剛度非常大,下層剛度比較小,其上下屬性存在明顯的差異性,在地震發(fā)生的情況下,整個建筑的抗扭曲性能是非常低的,極易導(dǎo)致建筑的倒塌、斷裂。所以,在抗震區(qū)域要盡可能地不用此種結(jié)構(gòu),或者將其上下層剛度性質(zhì)做出調(diào)整,這樣才能夠確保其抗震性能得到基本的保證。
2.2減少地震時的能量輸入
高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,可選擇基于位移的結(jié)構(gòu)抗震法實(shí)施定量性分析,這樣才能夠確保建筑結(jié)構(gòu)的變形性能達(dá)到預(yù)期地震作用下地形的變形需求。我們需在對建筑結(jié)構(gòu)的承載性能進(jìn)行驗(yàn)算的基礎(chǔ)上,對建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角限值、位移延性比進(jìn)行科學(xué)合理性的掌控。按照建筑構(gòu)件的實(shí)際變形與建筑結(jié)構(gòu)位移間的聯(lián)系,將構(gòu)件的變形值加以最終的確定。通過建筑截面的應(yīng)變情況確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。針對高層建筑若是在比較堅(jiān)硬的場地進(jìn)行施工的話,那么就能夠?qū)⒌卣鸢l(fā)生時的能力輸入降到最低的程度,將地震給高層建筑造成的影響減少到最小。
2.3隔震與消能減震設(shè)計(jì)
在當(dāng)前的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通常運(yùn)用的是以往的抗震結(jié)構(gòu)體系即延性結(jié)構(gòu)體系。這種抗震結(jié)構(gòu)體系是對建筑結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行的系統(tǒng)性掌控,在有地震發(fā)生的時候,會使得整個建筑構(gòu)件處在一種非彈性狀態(tài)下,這樣會使得其延性得到進(jìn)一步增加,對地震發(fā)生時能量的消耗起到一定的輔助作用,將地震效應(yīng)產(chǎn)生的影響降到最低,可有效避免建筑物倒塌的發(fā)生。除此之外,可采取相應(yīng)的隔震措施,將高層建筑的動力特性進(jìn)行科學(xué)的更改,這樣能降低地震作用于建筑物的力,并且可利用高延性結(jié)構(gòu)將地震效應(yīng)降到最低。
2.4充分重視抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,我們在提升建筑抗震性能的同時,需兼顧到建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能情況。一般情況下,高層建筑會選用框、筒框架、支撐結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)前,我國的鋼材生產(chǎn)數(shù)量非常大,鋼結(jié)構(gòu)加工制造水平得到了明顯升高,所以,在高層建筑中可最大限度上以鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為主,這樣能夠使得柱斷面尺寸大大縮減,對于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的改善是非常有利的。
2.5減小高層建筑結(jié)構(gòu)自重
若是在相同的地基承載能力條件下,減輕高層建筑結(jié)構(gòu)的自身重量,就可以使其在不增加地基以及造價(jià)的情況下,增加高層建筑的層數(shù),研究顯示,由于高層建筑的高度很高,所以其重心也相應(yīng)較高,然而建筑的重量越大,受地震作用的傾覆力矩的效應(yīng)也就越大,所以,在高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,我們要盡量采用輕質(zhì)材料來填充高層建筑物的填充墻及隔墻,以減輕建筑的自重。
2.6設(shè)置多道抗震防線
我們提倡采用由兩個與兩個以上同時延性較好的分體系組成的一個抗震結(jié)構(gòu)體系,這是由于在發(fā)生地震時通常都會帶有余震,倘若只有一道抗震防線,那么就很難防止由于某一結(jié)構(gòu)損傷而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)坍塌的情況發(fā)生,所以,在構(gòu)建高層建筑抗震結(jié)構(gòu)體系時,我們首先要有最大可能數(shù)量的內(nèi)外部冗余度;其次還要建立一套分布完整的屈服體系;最后,該體系的主要耗能構(gòu)件一定要有較高的延性和充足的剛度,以確保建筑物在遭遇地震災(zāi)害時,其強(qiáng)烈的地震作用對其的危害,這樣在第一道防線崩潰的狀況下,抵擋后續(xù)地震波的沖擊還有第二道防線和第三道防線。
3高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的前景分析
從目前的形勢來看,今后若干年,中國仍將是世界上修建高層建筑最多的國家,這也將會給高層建筑抗震設(shè)計(jì)帶來新的難題,一是對于影響高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵因素就是建筑材料的選用,提高每一項(xiàng)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,科研人員需要加強(qiáng)對于新型復(fù)合高性能的建筑材料的研發(fā),以促進(jìn)抗震技術(shù)的發(fā)展,進(jìn)而滿足高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求;二是對于不同抗震能力的需求,要采取相應(yīng)的抗震措施,甚至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相同時,都要選用不同標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件;三是計(jì)算機(jī)模擬抗震試驗(yàn)都得到廣泛應(yīng)用,將制作好的模型或結(jié)構(gòu)構(gòu)件放在模擬地震振動臺上,在臺面輸入某一確定性的地震記錄,就能夠較好地反映該次確定性地震作用的效果,計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境可以擬真抗震效果,進(jìn)而幫助改進(jìn)各因素,從而做到有效抗震,另外,高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算方法也會有新的轉(zhuǎn)變。即從線性分析向非線性分析的轉(zhuǎn)變,從確定性分析向非確定性分析的轉(zhuǎn)變,從振型分解反應(yīng)分析向時程分析法的轉(zhuǎn)變。
4結(jié)語
高質(zhì)量的高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在達(dá)到建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的密切配合的前提下加以完成的,高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個建筑工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),因此,設(shè)計(jì)人員一定要綜合多方面的因素進(jìn)行分析,同時,還要結(jié)合新型的高性能材料以及抗震結(jié)構(gòu)理念,提高對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平,進(jìn)而促進(jìn)我國高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。
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作者:劉杰 韓育勝 單位:遼寧震興建筑工程有限公司 營口市誠信工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司