對高層建筑抗震結構設計的探析

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 摘要：本文主要對高層建筑抗震結構設計的結構體系、結構類型、結構布置與關系以及結構的抗震性能幾個問題進行了探討。 

  　　關鍵詞：高層建筑；框架結構；剪力墻結構；抗震設計    　　1 正確選擇合理的結構體系    　　由于高層建筑中抗水平力成為設計的主要矛盾，因此采用何種抗側力結構是結構設計的關鍵性問題。根據(jù)抗側力結構的不同，鋼筋砼結構主要可分為框架結構、框架——剪力墻結構、剪力墻結構和筒體結構等幾種結構體系，這些體系的受力特點、抵抗水平力的能力，特別是抗震性能等有所不同，因此具有不同的適用范圍。    　　框架結構由梁、柱構件通過節(jié)點連接構成，框架梁和柱既承受垂直荷載，又承受水平荷載，并可為建筑提供靈活布置的室內(nèi)空間。當建筑物層數(shù)較少時，水平荷載對結構的影響較小，采用框架結構體系比較合理，當層數(shù)較多時，由于框架結構在水平力的作用下，內(nèi)力分布很不均勻，并存在著層間屈服強度特別弱的樓層，且由于框架結構的構件截面慣性矩相對較小，導致側向剛度較小，側向變形較大，在強烈地震作用下，結構的薄弱層率先屈服，發(fā)生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發(fā)生破壞，除剪跨比較小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此框架結構屬于以剪切變形為主的柔性結構，使用高度受到限制，主要用于非抗震設計和層數(shù)相對較少的建筑中。剪力墻結構中，剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎曲變形為主的剛性結構。該種結構的抗側力剛度比框架結構大的多，在水平力作用下側向變形小，空間整體性好。剪力墻結構的工作狀態(tài)可分為單肢墻、小開口墻、聯(lián)肢墻，單肢墻和小開口墻的截面內(nèi)力完全或接近于按材料力學公式成直線分布規(guī)律，其平衡地震力矩只靠截面內(nèi)力偶負擔。聯(lián)肢墻則通過連系梁使許多墻肢共同工作，地震力矩可由多個墻肢的截面內(nèi)力矩與連梁對墻肢的約束力矩共同負擔，設計原則是梁先屈服，然后墻肢彎曲破壞喪失承載內(nèi)力。當連梁鋼筋屈服并且有延性時，即可吸收大量地震能量，又能繼續(xù)傳遞，彎矩和剪力，對墻肢有一定的約束作用。由于剪力墻結構自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內(nèi)部大空間的要求。因此其更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數(shù)量，也可使室內(nèi)無外露梁柱，達到整體美觀。    　　框架——剪力墻結構是指在框架結構中的適當部位增設一些剪力墻，是剛柔相結合的結構體系，能提供建筑大開間的使用空間，是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結構體系中，框架和剪力墻共同承擔水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須通過各層樓板使其變形一致，達到框架和剪力墻的協(xié)同工作。從受力特點看，剪力墻是以彎曲變形為主，框架是以剪切變形為主，由于變位協(xié)調(diào)，在頂部框架協(xié)助剪力墻抗震，在底部剪力墻協(xié)助框架抗震，其抗震性能由于較好的的發(fā)揮了各自的優(yōu)點而大為提高。因此可以適用于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。    　　以上分析了三種常用的鋼筋砼結構體系的特點，通過分析比較看出，選擇高層建筑結構抗側力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和用途。    　　2 正確認識高層建筑的受力特點，選擇合理的結構類型    　　高層建筑從本質(zhì)上講是一個豎向懸臂結構，垂直荷載主要使結構產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線性關系；水平荷載使結構產(chǎn)生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來自任何方向，當為均布荷載時，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側移特性看，豎向荷載引起的側移很小，而水平荷載當為均布荷載時，側移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結構中，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，水平荷載是結構設計的控制因素，結構抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外，同時要求結構要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內(nèi)。    　　高層建筑有上述的受力特點，因此設計中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實可行的結構類型，使之在特定的物資和技術條件下，具有良好的結構性能、經(jīng)濟效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結構類型主要有鋼結構和鋼筋砼結構。鋼結構具有整體自重輕，強度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點，并且鋼結構構件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結構。其缺點是造價相對較高，當場地土特征周期較長時，易發(fā)生共振。與鋼結構相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結構具有結構剛度大，空間整體性好，造價低及材料來源豐富等優(yōu)點，可以組成多種結構體系，以適應各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其突出缺點是結構自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時，易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用何種結構形式，應取決于所有結構體系和材料特性，同時取決于場地土的類型，避免場地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴重。    　　3 選擇合理的結構布置，協(xié)調(diào)好建筑與結構的關系    　　在高層建筑的設計中，結構布置一般應考慮以下幾點：    　　1.應滿足建筑功能要求，做到經(jīng)濟合理，便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數(shù)等平面關系和體型除滿足使用要求外，還應盡量減少類型，盡可能統(tǒng)一柱網(wǎng)布置和層高，重復使用標準層。    　　2.高層建筑控制位移是主要矛盾，除應從平面體型和立面變化等方面考慮提高結構的總體剛度以減少結構的位移。在結構布置時，應加強結構的整體性及剛度，加強構件的連接，使結構各部分以最有效的方式共同作用；加強基礎的整體性，以減少由于基礎平移或扭轉(zhuǎn)對結構的側移影響，同時應注意加強結構的薄弱部位和應力復雜部位的強度。此外增強結構整體寬度也可減少側向位移，在其它條件不變時，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑是不合適的，宜采用剛度較大的平面形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形、Y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑體型多樣化和結構的要求有機地結合起來，又可形成側向穩(wěn)定的體系。    　　3.在地震區(qū)為了減少地震作用對建筑結構的整體和局部的不利影響，如扭轉(zhuǎn)和應力集中效應，建筑平面形狀宜規(guī)正，避免過大的外伸或內(nèi)收，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分部要均勻，主要抗側力豎向構件，其截面尺寸、砼強度等級和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內(nèi)，應糾正“增加構件強度總是有利無害”的非抗震設計概念，在設計和施工中不宜盲目改變砼強度等級和鋼筋等級以及配筋量。簡單地說就是使結構各部分剛度對稱均勻，各結構單元的平面形狀應力求簡單規(guī)則,立面體型應避免伸出和收進,避免結構垂直方向剛度突變等。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠，振動不同步，應使荷載合力作用線通過結構剛度中心，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。尤其是布置樓電梯間時不宜設在平面凹角部位或端部角區(qū)，它對結構剛度的對稱性有顯著的影響。    　　4 提高結構的抗震性能    　　由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達到這一要求，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。    　　框架結構設計應使節(jié)點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁!柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結構的抗震能力。為了保證鋼筋砼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構件”的原則進行設計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構造配筋要求，特別是要加強節(jié)點的構造措施。    　　對于框架——剪力墻結構和剪力墻結構中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁”的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。    　　5 結束語    　　通過了高層建筑的受力特性、結構類型、結構體系、結構布置、抗震性能等多方面的概念設計，從而更加有效地構造出新的措施與計劃，完善建筑結構設計。