試論高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)抗震的主要發(fā)展 1、建筑結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)防烈度的多遇地震，即第一設(shè)防烈度地震時，建筑物的結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)防烈度的基本烈度地震，即第二設(shè)防烈度地震時，建筑物的結(jié)構(gòu)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(xiàn)破壞。但經(jīng)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(shè)防烈度的罕遇地震，即第三設(shè)防烈度地震時，建筑物的結(jié)構(gòu)雖然遭遇到嚴重破壞，但其結(jié)構(gòu)的非彈性變形距離結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)期約為50年；設(shè)防烈度的地震（基本地震）：50年的超越概率約為10%，重現(xiàn)期約為475年；罕遇的地震：50 年的超越概率約為2%-3%，重現(xiàn)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(shè)防的具體要求，主要是通過“兩個階段”的設(shè)計來實現(xiàn)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(yīng)的地震動參數(shù)，首先計算出來建筑物的結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下所承受的地震作用的效應(yīng)，并且與風和重力的荷載效應(yīng)進行組合。同時將承載力抗震調(diào)整系數(shù)引入其中。并進行建筑物構(gòu)件的截面設(shè)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(shù)進行計算，得出結(jié)構(gòu)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(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)措施，從而保證建筑物結(jié)構(gòu)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(yīng)的地震的動參數(shù)，從而計算出來建筑物的結(jié)構(gòu)（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(yīng)的抗震構(gòu)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(shè)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(nèi)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(nèi)容為：修改并補充了關(guān)于7度(0.15g)和8度(0.30g)的設(shè)防抗震措施，并按照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》調(diào)整和設(shè)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(shù)曲線的阻尼調(diào)整參數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)和鋼結(jié)構(gòu)昀阻尼比、隔震結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)的計算進行了調(diào)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(jié)構(gòu)的房屋和底部框架砌體的房屋的抗震設(shè)計規(guī)范要求進行了提高；并且提出了鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震等級和調(diào)整了抗震措施的相關(guān)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(shè)計原則以及有關(guān)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(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計規(guī)定。 2、抗震設(shè)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(jié)構(gòu)為剛性，并且地震力是水平作用在建筑物結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)心之上。 反應(yīng)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(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特性的研究為基礎(chǔ)，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(yīng)用的地震動力學理論。它能得以快速發(fā)展和應(yīng)用，除因60年代以來，計算機技術(shù)和試驗技術(shù)的快速發(fā)展以外，學者對各種建筑物結(jié)構(gòu)在地震的作用下的線性和非線性反應(yīng)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(shè)的逐漸增多，多種受損建筑物結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)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(yīng)。 二、在高層建筑抗震設(shè)計中常常面臨的問題 1、建筑抗震設(shè)防程度低 目前我國的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)行的需要，建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度應(yīng)該得到大幅度的提高。我國現(xiàn)在所設(shè)定的抗震設(shè)防標準很低，較低的抗震設(shè)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(yīng)當建在堅硬或者中硬的土場地，不應(yīng)建在河岸上，不應(yīng)在兩類土壤上建筑，并且應(yīng)該避開不利的地形、不應(yīng)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(shù)建筑高度太高     按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)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(jié)構(gòu)設(shè)計和工程預算的相應(yīng)參數(shù)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(jié)構(gòu)形式，并且變形的控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準。但是因為建筑物的彎曲變形的側(cè)位移比較大，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，而且效果不大，有時不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。 三、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要方法 1、 推廣使用消能和隔震減震設(shè)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(jié)構(gòu)體系，即“延性結(jié)構(gòu)體系”，這樣可以適當控制建筑物的剛度，但是這樣的設(shè)計是容許構(gòu)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(yīng)，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(jié)構(gòu)的動力特性，從而減少地震能量的輸入，進而減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，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(shè)計當中，可以采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計法，并且對設(shè)計做定量分析，從而使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在地震的作用下的層間位移延性比或者位移角限值；根據(jù)構(gòu)件變形與構(gòu)件結(jié)構(gòu)位移變化的關(guān)系來確定構(gòu)件的變形大??；并且根據(jù)構(gòu)件截面所能達到的應(yīng)變分布和應(yīng)變大小，來確定構(gòu)件的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重，就意味著在不加強基礎(chǔ)或地基造價的情況下，可以增加建筑屋的層數(shù)，尤其是對于基礎(chǔ)較軟的地基更為明顯，并且地震的效應(yīng)與建筑物的建造質(zhì)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(chǎn)生的傾覆力矩也隨著建筑物質(zhì)量的增加而增大。這就要求高層建筑物在設(shè)計時的填充墻及隔墻應(yīng)當采用輕質(zhì)材料。 結(jié)語： 政府對國內(nèi)高層建筑的抗震設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2010,01:171.   [2]徐 磊.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計問題研究[J].科技致富向?qū)?2010，23:197.   [3]和佳一.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2011,12:156.   [4]盧偉.高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計之探討[J].價值工程.2011,05:84-85.