試論高層建筑結構的抗震設計

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摘要：古往今來，地震作為一種強烈的自然災害，一直難以被避免和預防，尤其是近幾年來，高層建筑的日益增多，致使地震的發(fā)生所帶來的破壞逐漸變大，所以須在結構上采取有效措施，從而使高層建筑的抗震性得以提高，本文從實際出發(fā)，對于高層建筑結構的抗震設計做了的探討。

小清新：高層建筑    抗震     抗震規(guī)范   抗震理論  一、建筑結構抗震的主要發(fā)展 1、建筑結構的抗震理念 （1）我國在《建筑抗震規(guī)范》（GB50011-2001）這一規(guī)范中對建筑的抗震設防提出了兩點要求，即“三水準、兩階段”，“三水準”主要是指“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當遭遇到低于本地區(qū)的抗震設防烈度的多遇地震，即第一設防烈度地震時，建筑物的結構應處于彈性變形階段，這時建筑物是處于其正常使用狀態(tài)。當遭遇到相當于本地區(qū)抗震設防烈度的基本烈度地震，即第二設防烈度地震時，建筑物的結構屈服進入了非彈性變形階段，這時建筑物可能會在一定程度出現破壞。但經過簡單維修仍然可以繼續(xù)正常使用。當遭遇到高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震，即第三設防烈度地震時，建筑物的結構雖然遭遇到嚴重破壞，但其結構的非彈性變形距離結構的倒塌仍存在一定的距離，這樣就不會導致建筑物倒塌或者發(fā)生更為嚴重的破壞，這樣可以保障人員的安全。這三個不同水準烈度的地震作用水平，可按三個不同的超越概率（或重現期）來進行區(qū)分的:多遇地震：50年的超越概率約為63.2%，重現期約為50年；設防烈度的地震（基本地震）：50年的超越概率約為10%，重現期約為475年；罕遇的地震：50 年的超越概率約為2%-3%，重現期約為1641-2475年，平均發(fā)生期為2000年。對待建筑物的抗震的三個水準進行設防的具體要求，主要是通過“兩個階段”的設計來實現完成的，主要方法和步驟如下：第一個階段：第一步是采用和第一個水準烈度相對應的地震動參數，首先計算出來建筑物的結構在彈性狀態(tài)下所承受的地震作用的效應，并且與風和重力的荷載效應進行組合。同時將承載力抗震調整系數引入其中。并進行建筑物構件的截面設計，最終滿足第一個水準的強度要求；第二步主要是采用和上述相同一的地震動參數進行計算，得出結構的層間位移角度，使得它不會超過抗震規(guī)范中所規(guī)定的極限值；并采用相對應的抗震結構措施，從而保證建筑物結構能夠具有足夠的延性、塑性耗能和變形能力，進而能自動滿足第二個水準所規(guī)定的變形要求。第二個階段：主要采用和第三個水準相對應的地震的動參數，從而計算出來建筑物的結構（尤其是柔弱的樓層和抗震薄弱的環(huán)節(jié)）的彈塑性樓層間的位移角度，使它能夠小于抗震規(guī)范中所要求的極限值。同時采用響應的抗震構造措施，進而滿足第三個水準所規(guī)定的防倒塌要求。 （2）2010年12月1日，我國正式通過并施行了《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010），修訂后它共有14個章并且包含12個附錄的內容。其中，除了保持了2008年的局部修訂規(guī)定之外，它的主要修訂內容為：修改并補充了關于7度(0.15g)和8度(0.30g)的設防抗震措施，并按照《中國地震動參數區(qū)劃圖》調整和設計地震分組；對土壤液化判別公式進行了改進；對地震影響系數曲線的阻尼調整參數、承載力抗震調整系數和鋼結構昀阻尼比、隔震結構的水平向減震系數的計算進行了調整，并且對大跨屋蓋建筑水平和豎向地震作用的計算方法進行了補充；對混凝土框架結構的房屋和底部框架砌體的房屋的抗震設計規(guī)范要求進行了提高；并且提出了鋼結構房屋抗震等級和調整了抗震措施的相關規(guī)定；改進了多層砌體房屋、混凝土抗震墻房屋、配筋砌體房屋的抗震措施；擴大了隔震和消能減震房屋的適用范圍；新增建筑抗震性能化設計原則以及有關大跨屋蓋建筑、地下建筑、框排架廠房、鋼支撐一混凝土框架和鋼框架一鋼筋混凝土核心筒結構的抗震設計規(guī)定。 2、抗震設計的理論歷程 擬靜力理論主要是在20世紀10～40年代期間發(fā)展起來的，它僅假定建筑物的結構為剛性，并且地震力是水平作用在建筑物結構或構件的質心之上。 反應譜理論主要是在20世紀40～60年代期間而發(fā)展起來的，它主要是以強烈地震動加速度的觀測記錄的增多和對地震過程當中地表面運動特性的深入了解，及對建筑物的結構動力反應特性的研究為基礎，它是由加理工學院的一些學者對強烈地震動加速度的觀測記錄的特性進行了分析后所取得的一個很重要的成果。 動力理論主要是在20世紀 70-80 年代期間得到廣泛應用的地震動力學理論。它能得以快速發(fā)展和應用，除因60年代以來，計算機技術和試驗技術的快速發(fā)展以外，學者對各種建筑物結構在地震的作用下的線性和非線性反應的整個過程都有了較深入的了解，并且隨著強烈地震觀測臺站建設的逐漸增多，多種受損建筑物結構的地震反應記錄也在不斷地增多。動力理論也被稱之為地震時程分析理論，它主要是把地震作為一個連續(xù)的時間過程，并且選擇具有代表性的地震動加速度的時程作為地震動態(tài)輸入，將建筑物簡化為一個多自由度的體系，最后計算得出每一個時刻的建筑物的地震反應。 二、在高層建筑抗震設計中常常面臨的問題 1、建筑抗震設防程度低 目前我國的建筑結構設計的安全度已經不適應現行的需要，建筑物結構設計的安全度應該得到大幅度的提高。我國現在所設定的抗震設防標準很低，較低的抗震設防烈度降低了高層建筑的抗震要求。 2、不合理地基的選取     高層建筑應當建在堅硬或者中硬的土場地，不應建在河岸上，不應在兩類土壤上建筑，并且應該避開不利的地形、不應用震陷土作為天然的地基，避免在山崖、斷層、地陷、滑坡等抗震危險的地段建造房屋。地基選取的不恰當可能會導致抗震能力變差。 3、少數建筑高度太高     按我國現行高層建筑混凝土結構技術規(guī)程(JGJ3-2002)規(guī)定，在一定設防烈度和一定結構型式下，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態(tài)會發(fā)生很大的變化，建筑物的抗震能力會下降，很多影響因素也發(fā)生變化，結構設計和工程預算的相應參數需要重新選取。 4、建筑材料的不科學選用     因我國建筑物主要是以鋼筋混凝土核心筒為主的結構形式，并且變形的控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但是因為建筑物的彎曲變形的側位移比較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設置伸臂結構，形成加強層才能滿足規(guī)范側移限值。 三、高層建筑結構抗震設計的主要方法 1、 推廣使用消能和隔震減震設計     目前在消能和隔振減震方面，我國和世界多個國家均采用的是傳統(tǒng)抗震結構體系，即“延性結構體系”，這樣可以適當控制建筑物的剛度，但是這樣的設計是容許構件在地震發(fā)生時進入非彈性狀態(tài)，并且其具有較大的延性，用以消耗地震所帶來的能量，從而減輕地震引起的反應，最終使建筑物不會發(fā)生坍塌。采取滑移隔震、軟墊隔震、懸吊隔震等措施、擺動隔震等方法，可以改變建筑物結構的動力特性，從而減少地震能量的輸入，進而減輕結構的地震反應，這是一種非常有效的防震措施。 2、減小地震能量的輸入     在設計當中，可以采用基于位移的結構抗震設計法，并且對設計做定量分析，從而使結構的變形可以滿足在預期力的作用下的變形要求。不僅要驗算建筑物的承載力，而且還要控制建筑物結構在地震的作用下的層間位移延性比或者位移角限值；根據構件變形與構件結構位移變化的關系來確定構件的變形大?。徊⑶腋鶕嫾孛嫠苓_到的應變分布和應變大小，來確定構件的設計要求。這樣，對于高層建筑，首先需要選擇堅硬的場地，減少地震能量輸入，從而減輕地震的破壞程度。 3、減少高層建筑結構的自身重量 從地基的承載能力方面來看，如果是在同等的地基條件下，減輕建筑物的結構自重，就意味著在不加強基礎或地基造價的情況下，可以增加建筑屋的層數，尤其是對于基礎較軟的地基更為明顯，并且地震的效應與建筑物的建造質量成正比。由于高層建筑的高度較高，會導致其重心上升，同時地震作用下所產生的傾覆力矩也隨著建筑物質量的增加而增大。這就要求高層建筑物在設計時的填充墻及隔墻應當采用輕質材料。 結語： 政府對國內高層建筑的抗震設計的要求不斷作了提高，這樣會致使我國的高層建筑在抗震設計方面必將進入新的階段，這樣地震能給我們帶來的損失將會變得很小。 參考文獻：                                                           [1]于險峰.高層建筑結構抗震設計[J].中國新技術新產品.2010,01:171.   [2]徐 磊.高層建筑結構抗震設計問題研究[J].科技致富向導.2010，23:197.   [3]和佳一.淺談高層建筑結構抗震設計[J].中國新技術新產品.2011,12:156.   [4]盧偉.高層建筑抗震結構設計之探討[J].價值工程.2011,05:84-85.