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關(guān)鍵詞:高層建筑;抗震設(shè)計;問題;策略
1引言
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國城市化進程不斷加快,城市中隨處可見高樓林立,加之世界人口數(shù)量的激增,為了給人類提供擁有更多的建筑空間,高層建筑規(guī)模越來越大,建筑層數(shù)也不斷提高。與此同時,隨著建筑的復(fù)雜性和難度的增加,人們對于建筑安全的要求越來越高,特別是作為一個地震多發(fā)地區(qū)的國家,加之近幾年自然災(zāi)害的頻發(fā),我國居民對于高層建筑的防震效果更加重視,這就對我國高層建筑的抗震設(shè)計帶來了不小的挑戰(zhàn)。因此,筆者認為,十分有必要對我國高層建筑的抗震設(shè)計中存在的問題進行研究,并尋求合理的解決途徑,以期能夠提高我國高層建筑抗震能力。
2高層建筑抗震設(shè)計中存在的問題
2.1高度規(guī)范問題
雖然我國有相關(guān)的法律法規(guī)和政策文件對建筑物的高度規(guī)范做出了明確的、具體的規(guī)定,而且為了保證高層建筑的安全性,針對不同級別的高層的混凝土的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)也有不同級別的高層建筑設(shè)置規(guī)范,但從我國現(xiàn)階段各個建筑單位的實際執(zhí)行情況來看,很多房地產(chǎn)開發(fā)商為了追求經(jīng)濟利益,使得高層建筑的高度遠遠超過了科學(xué)合理的范圍,以至于在遭遇地震時,這些違規(guī)高層建筑會成為“眾矢之的”,不能有效抵抗地震威脅。
2.2抗震材料選用問題
我國雖然也是地震多發(fā)國家,但是與國際上發(fā)達國家在高層建筑時結(jié)構(gòu)材料的選擇還相差甚遠。地震多發(fā)地區(qū)的建筑應(yīng)當(dāng)較多的采用鋼架結(jié)構(gòu),以提高建筑的穩(wěn)定性和安全性,但是我國很多地震區(qū)域的高層建筑仍然知識鋼筋混凝土的普通結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的抗震性能遠不及鋼結(jié)構(gòu)。另外,對于建筑高度高于150m的高層,應(yīng)當(dāng)有三層支撐框架做支撐。而且隨著科技的進步及鋼鐵產(chǎn)能的提高,新型鋼質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)一般質(zhì)量較輕,且能夠在減少鋼架結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上,提高高層建筑的防震能力。
2.3抗震設(shè)計人才支撐問題
現(xiàn)階段我國抗震設(shè)計領(lǐng)域的專業(yè)人才還很匱乏,很多抗震設(shè)計大多是借鑒國外的成功經(jīng)驗,國內(nèi)設(shè)計者的自主創(chuàng)新能力較低。雖然國內(nèi)很多高校和職教院校都開設(shè)了抗震設(shè)計專業(yè)類課程,但是由于我國缺乏實際施工實踐經(jīng)驗,理論知識與實踐能力的不扎實,課程結(jié)構(gòu)的不全面等,使得我國建筑設(shè)計在抗震設(shè)計領(lǐng)域的人才十分匱乏,國內(nèi)一些經(jīng)典的高層建筑還不得不依賴國外的設(shè)計師來進行抗震設(shè)計和施工,抗震設(shè)計人才支撐不足。此外,我國抗震設(shè)計的抗震能力較差,抗震級別較低,還比不上發(fā)達國家的標準。我國的建筑架構(gòu)設(shè)計安全系數(shù)還不高,因此,亟需相關(guān)部門對我國高層抗震設(shè)計做出更為符合我國國情和時代要求的標準,以提高我國高層建筑抗震設(shè)計的適宜性。
3我國高層建筑抗震設(shè)計優(yōu)化策略
3.1采用位移的結(jié)構(gòu)抗震方法進行設(shè)計
地震來臨時,高層建筑都會因為受到地震能量作用而發(fā)生變形,還有一些建筑在施工過程中也會出現(xiàn)變形,所以,不論是在建筑施工還是在后期防震設(shè)計和建設(shè)過程中都應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的彈性變形結(jié)構(gòu),比如位移變形結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過改變縱地基層的位移來減少地震產(chǎn)生的位移,另外還應(yīng)當(dāng)對界面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布處進行處理來加強變形部件之間的聯(lián)系,提高抗震效果。此外,還可以在建筑周圍建立一些鞏固結(jié)構(gòu),減少地震直接對建筑物產(chǎn)生能量,減弱地震力。
3.2運用高延性結(jié)構(gòu)來進行消震和隔震
高延性結(jié)構(gòu)能夠有效抵消地震力,并起到良好的隔震效果,因此,我國當(dāng)前在建筑的防震設(shè)計及后期施工過程中,很多建設(shè)和施工單位都加強了結(jié)構(gòu)的韌性、剛度,并對地震構(gòu)造進行了科學(xué)的設(shè)計,提高高層建筑的結(jié)構(gòu)韌性和剛度,減少地震帶來的不利影響。地震過程是一種能量的釋放過程,因此,需要高延性結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工來產(chǎn)生良好的消震和隔震效果,有效減少地震對房屋建筑的傷害。反過來講,如果高層建筑的負載能力較差,高延性結(jié)構(gòu)能夠更多的過濾掉地震的能量,有效保證房屋的原有結(jié)構(gòu),避免建筑變形,而適宜的韌性能夠大大降低房屋崩塌的發(fā)生率。因此,在對高層房屋建筑的設(shè)計和規(guī)劃時,一定要運用先進的技術(shù)來提高房屋的抗震能力,比如阻尼器的設(shè)計原理就是通過吸收地震能量來減少對房屋建筑的沖擊,而且還能監(jiān)測地震對建筑的破壞程度,效果顯著。
3.3建立多層地震防線
通過建立多層地震防線的方式能夠提高高層建筑抗地震的性能,滿足高層業(yè)主對于房屋安全的要求。當(dāng)高層建筑在遭遇地震等惡劣自然災(zāi)害的影響時,如果只有一道地震防線,一旦遇到級別很高的地震,就難以阻擋地震的摧毀和破壞,因此,一定要設(shè)置出備用防線,在多層建筑中設(shè)置第二道、第三道防線,以防一道地震防線崩潰后造成建筑物的整體崩塌。高層建筑在進行抗震設(shè)計時,可以采用多段強框架結(jié)構(gòu),最常見的比如抗震剪力墻設(shè)計,該設(shè)計因其抗震性能好,因此被廣泛的應(yīng)用作為抗震墻的第一層防線,而且發(fā)揮著最為重要的作用。所以,為了保證墻體的抗震能力足以防止地震的損害,有效減少地震造成的墻體裂痕或者倒塌,就應(yīng)當(dāng)科學(xué)建立防震結(jié)構(gòu),多層防線形成合力。而且在地震以后,每一層的剪力墻所承受的負載力應(yīng)當(dāng)是設(shè)計預(yù)期最大剪力墻的兩倍,或者要超過地震總剪力值的1/5.
4結(jié)束語
時代的發(fā)展讓高層建筑已經(jīng)成為我們司空見慣的建筑物,對其進行優(yōu)化設(shè)計,提升其抗震能力也將會成為建筑行業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢。相關(guān)人員選用更加專業(yè)的材料,運用更加專業(yè)的技術(shù)手段提升建筑的抗震效果。同時,該行業(yè)人員也需要不斷提升研發(fā)能力,讓新型抗震材料進入到高層建筑抗震設(shè)計中,讓高層建筑為人們的生活帶來跟尾舒適、安全的居住環(huán)境。
參考文獻:
[1]張罡睿.高層建筑工程抗震設(shè)計中的相關(guān)問題分析[J].門窗,2014(4):258~259.
1.1整體尺度原則
城市高層建筑設(shè)計的整體尺度原則是指建筑各組成主體間的有機聯(lián)系及產(chǎn)生的視覺效果。整體尺度原則主要強調(diào)的是建筑物整體性,在高層建筑整體性設(shè)計時要充分考慮建筑的主體、裙房以及屋面三個主要因素,將三要素有機結(jié)合在一起按照統(tǒng)一的尺度參考體系進行設(shè)計,而不是將三者單獨地按照各自的參數(shù)體系進行設(shè)計。只有這樣才能使三者有機的融合在一起,打造具有整體性的優(yōu)秀建筑工程設(shè)計作品。
1.2近人尺度原則
近人尺度原則在城市高層建筑設(shè)計中的內(nèi)涵是建筑物的進出口以及底層部分的尺寸大小能給人帶來視覺享受的同時又能方便人們使用。其中,建筑物進出口是用戶每天都要使用的部分,進出口設(shè)計質(zhì)量對用戶的感官刺激較大。所以在高層建筑設(shè)計時要將近人尺度設(shè)計理念充分地融入到設(shè)計思路中,合理地劃分建筑物入口處的柱子、檐口、大門以及墻面的尺度,細化每一部分尺度,使每一部分尺度都能在滿足用戶對建筑功能性需求的基礎(chǔ)上,又能給人們帶來感官享受。
1.3細部尺度原則
細部尺度是指高層建筑所采用的施工材料的質(zhì)感,是更為細膩的建筑尺度劃分。在高層建筑設(shè)計時應(yīng)透徹地了解人們對建筑材質(zhì)的標準要求及喜好程度。一般情況下,我們對事物的評價,都是通過眼觀以及手摸的方式去對事物進行進一步的了解,然后從主、客觀角度對該項事物做出綜合性評價。所以,設(shè)計人員應(yīng)遵循細部尺度原則,采用人們能夠接受的喜愛的建筑材質(zhì)塑造建筑工程作品,給人們帶細部尺度主要是指建筑材料的質(zhì)感,指高層建筑更細分的尺度大小。
2城市建設(shè)中高層建筑設(shè)計要點
2.1高層建筑采光設(shè)計
隨著人們節(jié)能減排意識的不斷提高,發(fā)展節(jié)能型建筑是當(dāng)今建筑工程領(lǐng)域發(fā)展的總體態(tài)勢。高層建筑內(nèi)的照明能耗比較大,如何通過有效的措施降低人工照明對能源的消耗及利用日光照明是當(dāng)今建筑工程領(lǐng)域必須要重視的課題。目前,比較先進的日光采集系統(tǒng)主要有以下幾種:(1)提高單位面積進光區(qū)的日光量,利用太陽光為建筑提供照明需求,可有效降低人工照明對能源消耗。(2)為了能在不增加窗戶周圍的陽光強度且能使其到達采光更深的工作區(qū)域,可以通過陽光發(fā)射到屋頂平面來完成。(3)在不改變建筑構(gòu)造的基礎(chǔ)上,如增大建筑窗戶的面積或數(shù)量來采集更多的太陽光,而能較好地滿足建筑內(nèi)照明需求的同時又不會在強烈的太陽光下給用戶帶來不適感覺,可通過陽光直射阻擋系統(tǒng)來解決。該系統(tǒng)是利用光線的折射計反射原理為設(shè)計依據(jù)的。
2.2高層建筑的抗震設(shè)計
抗震設(shè)計是高層建筑工程設(shè)計的重要內(nèi)容,抗震設(shè)計質(zhì)量對提升高層建筑的抗震能力有著直接的影響?;诘卣痤l發(fā)的現(xiàn)實情況,加強高層建筑抗震設(shè)計工作是現(xiàn)行建筑工程領(lǐng)域必須要關(guān)注及重視的問題。在高層建筑抗震設(shè)計時候需要注意以下要點:建筑大廳的四角及建筑外墻位置應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱,并根據(jù)高層建筑要求的具體抗震等級合理確定構(gòu)造柱數(shù)量。建筑框架山墻以及縱向方向的墻體是否設(shè)置構(gòu)造柱用來分擔(dān)磚墻荷載;在高層建筑抗震設(shè)計前設(shè)計人員應(yīng)深入到施工工地進行工程地質(zhì)勘探,牢固掌握高層建筑施工所在地地質(zhì)情況及發(fā)生地震災(zāi)害的頻率情況,以此為依據(jù)進行高層建筑抗震設(shè)計。在抗震設(shè)計中設(shè)計人員應(yīng)嚴格按照《建筑抗震設(shè)防分類標準》劃分的設(shè)防等級進行設(shè)計不得以經(jīng)驗隨意地更改建筑的設(shè)防等級,如果提高建筑的設(shè)防等級會額外地增加工程成本投入,而降低建筑設(shè)防等級則會降低建筑的抗震能力,一旦地震災(zāi)害來臨將會對建筑及人們生命財產(chǎn)安全帶來極大危害。
2.3高層建筑的消防問題設(shè)計
1高層建筑抗震設(shè)計的相關(guān)概念
高層建筑的抗震設(shè)計還需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦我约皻夂颦h(huán)境條件,針對一些地震高發(fā)地帶,設(shè)計需要采用強度較高的施工材料,要做好建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作,保證建筑滿足抗震設(shè)防的要求。高層建筑有著良好的發(fā)展趨勢,在設(shè)計與施工時,一定要保證建筑使用的安全性,并且要使建筑在地震力的作用下,不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴重變形的問題。高層建筑抗震設(shè)計是一項重要的工作,下面筆者對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目標以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施進行簡單的介紹。
1.1高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目標
高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是一項重要的工作,設(shè)計人員需要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目標是“小震不壞、大震不倒”。為了達到這一目標,設(shè)計人員還要合理確定施工的材料,施工材料要具有較高的強度與剛度,建筑結(jié)構(gòu)要具有良好的延展性。另外,在高層建筑施工時,需盡量減少耗能情況,施工單位要多采用可再生的新型能源。
1.2高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施
1.2.1加強結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化高層建筑施工在選擇材料時,應(yīng)盡量選擇輕質(zhì)的材料,結(jié)構(gòu)材料還要具有較高的強度,這樣的結(jié)構(gòu)有著良好的連續(xù)性,可以抵抗較大的荷載以及作用力,可以保證建筑結(jié)構(gòu)的整體性。合理選擇結(jié)構(gòu)材料,并優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系,是提高建筑防震效果的有效措施。建筑工程多采用的是鋼結(jié)構(gòu)或者型鋼混凝土結(jié)構(gòu),這對鋼材以及混凝土的性能有著較高的要求,在施工前,需要對施工材料的性能進行檢測。優(yōu)化建筑抗震結(jié)構(gòu)體系,可以保證建筑的承載力,避免結(jié)構(gòu)在地震力作用下出現(xiàn)變形問題,良好的建筑結(jié)構(gòu)可以起到吸收地震能量的作用,在地震災(zāi)害下,有利于避免建筑出現(xiàn)較為嚴重的損毀問題。建筑抗震設(shè)計需主要結(jié)構(gòu)的整體性,這考驗了設(shè)計人員的能力,采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),可以保證建筑結(jié)構(gòu)達到立面的效果,提高建筑使用的安全性。
1.2.2場地的選擇高層建筑對施工場地也有著一定要求,在施工前,設(shè)計人員需要做好地質(zhì)的考察工作,對施工場地的土質(zhì)進行檢測,并保證地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,設(shè)計人員加強實地勘探,可以了解該地區(qū)是否存在地震隱患,并了解地下巖層的結(jié)構(gòu),根據(jù)這些因素進行綜合評價,從而得出準確的場地數(shù)據(jù)。如果遇到不適合建造高層建筑的場地,應(yīng)該采取回避的措施,給出恰當(dāng)?shù)奈kU性評價,從根源上杜絕出現(xiàn)由于地面的震動而摧毀地基的現(xiàn)象。
1.2.3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。
1.2.4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。
2高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)主要的幾個問題
2.1控制結(jié)構(gòu)超限現(xiàn)象以及相關(guān)的解決措施
對于結(jié)構(gòu)薄弱位置,在框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼,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;依次類推,標準層的個別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;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剪力墻連梁抗震設(shè)計措施
①調(diào)整連梁剛度折減系數(shù):對內(nèi)力以及位移進行計算時,對豎向與水平的荷載效應(yīng)下兩種情形進行區(qū)別對待。在水平荷載效應(yīng)下,可以折減連梁的剛度系數(shù),例如:當(dāng)出現(xiàn)作用力時,折減系數(shù)應(yīng)該大于或者等于0.50;在豎向荷載效應(yīng)下,不需要折減連梁的剛度系數(shù),通過利用支座彎矩調(diào)整的幅度來降低連梁支座的彎矩。
②調(diào)整連梁跨高比:在設(shè)計連梁時,可能會遇到剛度折減之后連梁的正截面仍然承受剪承載力不足的現(xiàn)象,這時就需要增加洞口的寬度,減低高度。
③其他措施:設(shè)置水平縫形成雙連梁、連梁內(nèi)設(shè)置交叉暗撐、采用型鋼混凝土連梁、調(diào)整連梁的內(nèi)力以及增加連梁延性等。
3結(jié)論
在經(jīng)歷了9.0級地震即大海嘯后,人們驚異地看到日本的多層、中高層甚至高層建筑物居然完整地挺立著,很多房子雖然被洶涌的海浪挪出很遠,但全然沒有散架,日本的大地震讓建筑抗震再度成為焦點。
結(jié)構(gòu)、地基、規(guī)范成三利器
作為一個地震高發(fā)國,此次地震仍被視為“日本歷史上近1200年一遇的大地震”。雖然地震造成了嚴重的損失,但多數(shù)巋然不倒的高層建筑在災(zāi)難中保護了無數(shù)人的生命。這樣的建筑抗震能力值得中國學(xué)習(xí)。
日本的高層建筑之所以能在多次強震中巋然不倒,與日本高層建筑的框架結(jié)構(gòu)、特殊防震設(shè)計以及建筑抗震標準密不可分。而且在日本的建筑施工中,對于抗震有三種構(gòu)造概念:耐震、制震和免震。耐震為最普通級別,主要用在低層建筑中。制震則是讓建筑物在地震晃動中,集中在一個地方造成損害,但其他地方不會發(fā)生損毀。其中一種做法是在建筑物中放置各種球體,讓這個部分吸收地震能量,等地震過后,只需把這部分換掉就行,建筑其他地方不會發(fā)生問題。還有比較普遍的做法則是放置油壓器裝置,其作用相當(dāng)于保險絲,基本上在高層建筑中,每層都會放置一個以上這種裝置。
第三種的免震技術(shù)運用的成本過高,而且也不是每個地塊的地基都適合。所以,現(xiàn)在日本大多數(shù)建筑采用的標準基本都是制震的標準。
據(jù)留學(xué)日本多年的方體空間工作室主持建筑師、北京大學(xué)建筑學(xué)研究中心副教授王昀表示:“日本的高層建筑多以純鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)為主,而鋼結(jié)構(gòu)建筑正是抗震性能最好的,甚至優(yōu)于日本民居所用的木結(jié)構(gòu),以及我國大多數(shù)建筑采用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。”
“鋼結(jié)構(gòu)的特點正是強度高、自重輕、剛性大,能通過形變來承受動力荷載,因此具有很強的抗震能力?!敝ㄖu論家、清華大學(xué)建筑系教授周榕表示,鋼結(jié)構(gòu)在日本新建的建筑中已經(jīng)被廣泛使用。
地上55層、高185米,有日本最高公寓樓之稱的玉縣川口公寓,就采用了與美國紐約世界貿(mào)易中心相同的建筑結(jié)構(gòu)――填充混凝土鋼柱CFT(Concrete-Filled Steel Tube)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的鋼柱直徑最大達800毫米,厚度達40毫米,管芯中注入了比通?;炷翉姸雀?倍的特種混凝土。該公寓共使用此種鋼柱168根。
同時,日本堪稱世界上最嚴格的建筑規(guī)范也是挽救眾多生命的一大利器。資料顯示,日本自1950年以來多次修改《建筑基準法》,各類建筑的抗震基準已提高到最高水準。
日本《建筑基準法》規(guī)定,日本的高層建筑必須能夠抵御里氏7級以上的強烈地震。一個建筑工程為獲得開工許可,除了設(shè)計、施工圖紙等文件外,還必須提交建筑抗震報告。這一報告主要內(nèi)容是,根據(jù)地震的不同強度,計算不同的建筑結(jié)構(gòu)在地震中的受力大小,進而確定建筑的梁柱位置、承重以及施工中鋼筋、混凝土的規(guī)格和配比。
法律還規(guī)定,只有一級建筑師以上的人才能有資格編制抗震報告書,而且,報告書中的相關(guān)計算必須要使用國土交通省認可的專用程序。普通的一個八九層公寓樓,其抗震報告書動輒厚達兩三百頁。而建筑抗震報告還必須經(jīng)過相關(guān)部門或人員的檢查,確認無誤后才能開工。
讓建筑有“彈性”
據(jù)經(jīng)歷此次地震的人描述,強震來臨時,只見眼前的高樓大廈左右搖晃,仿佛在“跳舞”。但強震過后一看,不僅房屋未垮塌,甚至連大的裂縫都沒有。有的人甚至反映,一些高層建筑連玻璃都沒有碎。
日本建筑的抗震能力,從結(jié)構(gòu)入手,附加安裝阻尼器等,讓建筑變得有“彈性”,不再直接與地震“硬來”。
傳統(tǒng)觀念認為,加粗、加固梁柱等是抗地震的辦法,但日本的最新抗震技術(shù)是讓大樓適度搖晃。森大廈(在上海的開發(fā)項目為環(huán)球金融中心)的相關(guān)人員介紹說,其在日本的大型開發(fā)項目六本木新社區(qū)的建筑群就采用了這種被稱為“柔構(gòu)造”的抗震技術(shù),這種構(gòu)造能夠吸收地震的能量,而不是“硬碰硬”地對抗地震波。
這種彈性建筑,東京有12座,經(jīng)里氏6.6級地震考驗,證明在減輕地震災(zāi)害方面效果顯著。據(jù)悉,彈性建筑物建在隔離體上,隔離體由分層橡硬鋼板組和阻尼器組成,建筑結(jié)構(gòu)不直接與地面接觸,而阻尼器由螺旋鋼板組成。
高層建筑的震動頻率和設(shè)計強度使其在地震中不易倒塌。王昀說,“日本的每一棟高層建筑在設(shè)計之初都預(yù)先設(shè)計了減震設(shè)施,基本這些減震設(shè)施都被設(shè)計在地基,當(dāng)?shù)卣饋砼R大樓往東搖時,減震設(shè)施就往西移動,以減輕地震帶來的壓力。”
而這種設(shè)計正是日本在構(gòu)筑高層建筑中普遍采用的“地基地震隔絕”技術(shù),通過在建筑物底部安裝橡膠彈性墊或摩擦滑動承重座等抗震緩沖裝置來進行減震。當(dāng)遇到強烈地震時,隔層支座產(chǎn)生彈性水平變位,建筑物就變?nèi)崃?,大大減小了地震引起的上部慣性力,使得建筑物緩慢的左右、前后平行移動,從而使得上部建筑物基本不損壞,家具不翻倒。當(dāng)?shù)卣鹜V箷r,支座的彈性恢復(fù)力可以使得建筑復(fù)位。
不過,上海市建筑科學(xué)院總工程師朱春明表示,高層建筑安裝阻尼器代價較高,一般非地震高發(fā)地區(qū),不太會花如此高的代價安裝,而且也沒有很大必要,因為通過其他手段也能滿足抗震要求。不過,由于日本是地震高發(fā)地區(qū),因此阻尼系統(tǒng)的應(yīng)用比國內(nèi)多。
借鑒與瓶頸
比對汶川地震和此次日本大地震后建筑倒坍的畫面,SOHO中國董事長潘石屹不禁感嘆,中國的建筑質(zhì)量和日本的建筑質(zhì)量有很大的差距,尤其農(nóng)村的建筑缺乏基本的結(jié)構(gòu),沒有水泥的圈梁和必要的柱子,都是用磚頭砌起來的,地震后成了碎塊。
事實上,雖然高層建筑的危險系數(shù)遠遠大于普通建筑,但高層建筑并不意味著抗震性弱。此次日本大地震中屹立不倒的高層建筑就足以證明這一點。
目前,磚混結(jié)構(gòu)是我國主要的建筑結(jié)構(gòu),高層建筑則普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但這些都已開始在日本建筑中淡出舞臺。
“這兩種建筑結(jié)構(gòu),要比鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的抗震性能弱得多?!敝荛耪f。
究其原因,鋼結(jié)構(gòu)建筑造價昂貴是主要原因?!捌骄蠕摻罨炷两Y(jié)構(gòu)要貴出30%到50%。”中國工程院院士、廣州大學(xué)工程抗震研究中心主任周福霖指出。而木結(jié)構(gòu)也由于其防火性能差、堅固性不夠在我國并不流行。
雖然目前我國已經(jīng)開始在一些高層建筑中逐漸使用鋼結(jié)構(gòu),比如鳥巢、廣州新電視塔等,但仍因成本高企未能占據(jù)建筑行業(yè)主流。
關(guān)鍵詞:建筑;抗震;結(jié)構(gòu)設(shè)計
隨著這幾年來經(jīng)濟的快速發(fā)展,由于建設(shè)者開發(fā)、使用功能上的要求,高層建筑的體型越來越多樣化。高層建筑不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣化,而且在高度上也大幅度增長。進入上世紀90年代后,結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已提到各國建筑設(shè)計的日程。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū),高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計面臨的迫切任務(wù)。作為工程抗震設(shè)計的依據(jù),高層建筑抗震分析處于非常重要的地位。
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)害最嚴重的國家之一。近幾年來,各國歷次地震對人類造成了嚴重災(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”的三水準抗震設(shè)防目標也存在一定的問題。該設(shè)防目標對甲類、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)摹W詈?,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。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,從而做到在性態(tài)目標的選擇上更加靈活。
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。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)防標準是比較低的,中震相當(dāng)于在規(guī)定的設(shè)計基準期內(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 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計策略
3.1 高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)體系選擇
高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)建筑使用功能、房屋高度和高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、地基情況、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)等因素,綜合分析比較,選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可采用框架、剪力墻、框架- 剪力墻、筒體和板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。
框架結(jié)構(gòu)可為建筑提供靈活布置的室內(nèi)空間。當(dāng)建筑物層數(shù)較少時,水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響較小,采用框架結(jié)構(gòu)體系比較合理;框架結(jié)構(gòu)屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu),使用高度受到限制,主要用于非抗震設(shè)計和層數(shù)相對較少的建筑中。剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度大,在水平力作用下側(cè)向變形小,空間整體性好。但剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是指在框架結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位增設(shè)一些剪力墻,是剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系中,框架和剪力墻共同承擔(dān)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地發(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。板柱- 剪力墻結(jié)構(gòu),由于在板柱框架體系中加入了剪力墻或井筒,主要由剪力墻構(gòu)件承受側(cè)向力,側(cè)向剛度也有很大的提高。這種結(jié)構(gòu)目前在7、8 度抗震設(shè)計的高層建筑中有較多的應(yīng)用,但其適用高度宜低于一般框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)。
3.2 減少地震發(fā)生時能量的輸入
在具體的設(shè)計中,積極采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法,對具體的方案進行定量分析,使結(jié)構(gòu)的變形彈性滿足預(yù)期地震作用力下的變形需求。對建筑構(gòu)件的承載力進行驗收的同時,還要控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移限值;并且根據(jù)建筑構(gòu)件的變形和建筑結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系,確定構(gòu)件的變形值;根據(jù)建筑界面的應(yīng)變分布以及大小,來確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。對于高層建筑,在堅固的場地上進行建筑施工,可以有效減少地震發(fā)生作用時能量的輸入,從而減弱地震對高層建筑的破壞。
參考文獻:
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中圖分類號:[TU208.3]文獻標識碼:A文章編號:
1 現(xiàn)行規(guī)范抗震分析與設(shè)計的內(nèi)容
我國現(xiàn)行抗震規(guī)范要求高層建筑的抗震計算主要是在多遇地震作用下,按反應(yīng)譜理論計算地震作用,用彈性方法計算內(nèi)力及位移,并用極限狀態(tài)方法設(shè)計構(gòu)件。對于重要建筑或有特殊要求時,要用時程分析法補充計算,并進行罕遇地震作用下的變形驗算。這種先用多遇地震作用進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,再校核罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的方法,即二階段設(shè)計方法。同時規(guī)范還規(guī)定了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性變形的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。
結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動力分析和彈塑性靜力分析兩大類。彈塑性動力分析,采用桿模型和層模型等簡化的結(jié)構(gòu)計算模型。桿模型計算的優(yōu)點是可以得到桿件狀態(tài)隨時間的變化過程,也可得到各樓層的反應(yīng)。但耗時多、費用昂貴、結(jié)果數(shù)據(jù)量大且分析比較繁冗,在國外也極少采用。層模型計算能得到各樓層的反應(yīng),例如層剪力、樓層側(cè)移和層間轉(zhuǎn)角、層間位移延性比等,它主要是從宏觀上即層間變形檢驗結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性。層模型計算的數(shù)據(jù)相對較少,適宜于進行宏觀檢驗,也便于計算多條地震波作用。但無論是采用桿模型還是層模型進行彈塑性時程分析,計算結(jié)果受地震波的影響較大且不存在唯一答案,有時難以判斷。
2 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則
結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能;應(yīng)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; 對可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部位,應(yīng)采取措施提高抗震能力;
承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。
一個抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個延性較好的分體系組成,并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。例如框架—剪力墻結(jié)構(gòu)由延性框架和剪力墻兩個分體組成,雙肢或多肢剪力墻體系組成。強烈地震之后往往伴隨多次余震,如只有一道防線,則在第一次破壞后再遭余震,將會因損傷積累導(dǎo)致倒塌??拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度,有意識地建立一系列分布的屈服區(qū),主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度,以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量,提高結(jié)構(gòu)抗震性能,避免大震時倒塌。
適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強弱關(guān)系,同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后,其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段,使“有效屈服”保持較長階段,保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。構(gòu)件在強烈地震下不存在強度安全儲備,構(gòu)件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。要防止在局部上加強而忽視了整個結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。在抗震設(shè)計中有意識、有目的地控制薄弱層,使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移,這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。
3我國高層建筑抗震分析與設(shè)計中常見問題
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)定綜合考慮 經(jīng)濟 與適用的原則,給出了各種常見結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度。
這個高度是在我國目前建筑科研水平、經(jīng)濟 發(fā)展 水平和施工技術(shù)水平下,較為穩(wěn)妥的,也是與目前整個土木工程規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的。對于超高限建筑物,應(yīng)當(dāng)采取 科學(xué) 謹慎的態(tài)度。因為在地震力作用下,超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會發(fā)生很大的變化,隨著建筑物高度的增加,許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變,即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍,如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。
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。我國150m以上的建筑,采用的三種主要結(jié)構(gòu)體系(框一筒、筒中筒和框架一支撐),這些也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外特別在地震區(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)占了90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu),國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗?;旌辖Y(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)筒往往要承受80%以上的地震作用剪力,有的高達90%以上。由于結(jié)構(gòu)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。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。此外,在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時,需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變,常常會使與加強層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大,且加強層伸臂構(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。現(xiàn)在許多專家學(xué)者提出,現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度己不能適應(yīng)國情的需要,認為我國“取用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度”并主張“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度水平應(yīng)該大幅度提高”。此外,對于“小震不壞,中震可修,大震不倒”這個抗震設(shè)計原則,在新形勢下也有重新審核的必要。
設(shè)防標準低的根本原因在于國家財力物力有限。我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計除了設(shè)防烈度較低外,具體抗震計算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也不如國外,在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上,與外國相比,也有異同。隨著社會財富的增長,結(jié)構(gòu)失效帶來的損失愈來愈大,加之結(jié)構(gòu)造價在整個投資中的比例下降,因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采用彈性設(shè)計,特別是高烈度區(qū)要有嚴格的抗震措施與抗震構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的安全。
4 抗震分析與設(shè)計的新趨勢
現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間理論應(yīng)用到高層建筑結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力方程,引入位移與速度為狀態(tài)變量,導(dǎo)出狀態(tài)方程,給出非齊次狀態(tài)方程的解,進而建立狀態(tài)空間迭代計算格式。經(jīng)工程實例驗算,具有較高精度。特別對多自由度體系的多輸入、多輸出等問題的動力響應(yīng)解法,效率較高。從結(jié)構(gòu)整體性能出發(fā),改變過去對結(jié)構(gòu)抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素,綜合考慮了材料參數(shù)的變異性,地震烈度的隨機性,烈度等級界限的隨機性與模糊性對結(jié)構(gòu)抗震可靠度的影響。研究成果可用于對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進行抗震可靠度評估,并可用于指導(dǎo)基于可靠度理論的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。
5 結(jié)語
現(xiàn)階段,土與結(jié)構(gòu)物共同工作理論的研究與發(fā)展使建筑抗震分析在概念上進一步走向完善,如果可以在結(jié)構(gòu)與地基的材料特性,動力響應(yīng),計算理論,穩(wěn)定標準諸方面得到符合實際的發(fā)展,自然會在建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域內(nèi)起到重要的作用。
參考文獻:
[1]王軍.某超限高層的抗震性能設(shè)計[J].福建建筑,2008,(7).
關(guān)鍵詞:高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);抗震性能;設(shè)計
中圖分類號:[TU208.3] 文獻標識碼:A 文章編號:
高層建筑的抗震性能關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全,但是就目前情況來看,建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能還存在一定問題,由于地震造成的巨大災(zāi)難給人們敲響了警鐘,所以,提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能成為現(xiàn)代建筑重點研究的課題。
一、高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的分析
現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)形式主要是一個垂直于地面的豎向懸臂結(jié)構(gòu)。其建筑的垂直載荷主要使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個與地球引力相抗衡的軸心力;建筑的水平載荷使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從建筑結(jié)構(gòu)的受力特點進行分析可以看出:當(dāng)建筑的垂直載荷方向保持不變時,隨著建筑高度的不斷增加僅僅會引起量的增加而已,而這時水平載荷的方向就可以來自四面八方;而當(dāng)建筑為平均分布載荷時,建筑的高度就和彎矩呈現(xiàn)出二次方的變化。
再從建筑的側(cè)移特點來看:建筑豎直方向載荷引起的建筑位移是比較小的,而水平方向的載荷作為平均分布的載荷時,建筑的高度就和其側(cè)移呈現(xiàn)出四次方的變化。由此可以得出,在高層建筑結(jié)構(gòu)中,水平方向的載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響是要遠遠大于垂直方向載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響的,所以在進行高層建筑建設(shè)時,水平載荷是在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要重點控制的影響因素,所以除了在保證高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗水平載荷產(chǎn)生的彎矩、剪力以及壓、拉應(yīng)力時,要具有較大的強度以外,還要保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度,使得建筑隨著高度的不斷升高,所引起的側(cè)向變形能控制在結(jié)構(gòu)規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。
二、高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)體系選擇
在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)根據(jù)所建設(shè)工程的具體使用功能、房屋的高度與寬度的比值、抗震設(shè)防的類別、場地的類別以及建筑地基的實際情況、建筑所用的結(jié)構(gòu)材料和施工工藝等相關(guān)因素,進行綜合的比對分析,從而選擇出最為合適的建筑結(jié)構(gòu)體系。高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以采用框架、剪力墻、框架-剪力墻、簡體和板柱-剪力墻的結(jié)構(gòu)體系。
建筑的結(jié)構(gòu)框架可以為建筑在進行室內(nèi)空間的布置時提高其靈活性。當(dāng)建筑的層數(shù)較少的時候,水平方向的載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響是比較小的,所以采用框架結(jié)構(gòu)是比較合理的設(shè)計??蚣芙Y(jié)構(gòu)主要受到剪力作用的影響,屬于柔性結(jié)構(gòu),其在建筑層數(shù)較多時就會受到限制,所以框架結(jié)構(gòu)主要用在非抗震設(shè)計以及層數(shù)相對較少的建筑當(dāng)中。
建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)中,其剪力墻是沿著建筑的橫向方向和縱向方向,進行正交布置或者是多軸斜線交布置的,是由鋼筋混凝土墻體來承受建筑所有的水平方向和豎直方向的載荷,是屬于以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)。所以剪力墻這種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度相對較大,在水平方向的作用力下側(cè)面方向的變形相對較小,具有良好的空間一體性。但剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點就是其結(jié)構(gòu)的自重比較大,在進行建筑的平面布置時具有局限性,很難滿足建筑內(nèi)部需要建設(shè)大空間結(jié)構(gòu)的要求。所以剪力墻結(jié)構(gòu)更多的是運用在墻體的布置以及對于建筑的面積要求不大的建筑工程中,這樣既彌補了剪力墻的缺點,減少了非承重隔墻的數(shù)量,同時也使建筑更加的美觀,具有整體性。在國內(nèi)大力推廣節(jié)能設(shè)計的大環(huán)境下,結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中工程師宜在滿足國家及行業(yè)規(guī)范的前提下盡量節(jié)省鋼筋混凝土的用量。在剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大且軸壓比很小的位置增設(shè)結(jié)構(gòu)洞,在結(jié)構(gòu)周期比不滿足規(guī)范要求的一些情況下此種減小剛度的方法更宜優(yōu)先采用。這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范要求的同時也降低了鋼筋混凝土的用量,降低了工程造價。
建筑的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)主要是指:在建筑框架結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位,增添設(shè)置一些剪力墻,是剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)的融合體系,能提升高層建筑大開間的使用空間。在這種體系當(dāng)中,建筑的主要結(jié)構(gòu)是由若干道單片剪力墻以及框架相互構(gòu)成的,在這樣的結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中,框架和剪力墻將共同承擔(dān)起建筑水平方向的受力。所以在進行框架-剪力墻這種結(jié)構(gòu)的建筑建設(shè)時,必須通過各樓層間的樓板使得其變形保持一致,以此使得兩者間能夠很好的進行協(xié)同工作。而從這兩者的受力特點進行分析后,可以看出由于兩者的變形方式不同,所以在進行協(xié)同工作時,框架結(jié)構(gòu)能協(xié)助頂部剪力墻進行抗震,底部剪力墻能協(xié)助框架進行抗震,以此發(fā)揮出各自的抗震最佳效果,提升了建筑的抗震性能,被廣泛運用在高層建筑抗震的設(shè)計上。在實際工程設(shè)計當(dāng)中框剪結(jié)構(gòu)的剪力墻時常會影響房間的使用,這樣結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計的時候會因為局部剪力墻不能布置而導(dǎo)致框架柱軸壓比略超過規(guī)范要求。此種情況設(shè)計者宜調(diào)整箍筋的直徑,間距,肢距從而提高軸壓比限值的上限來滿足要求。這種方法比增大柱子截面或者提高混凝土強度等級更容易接受。
三、高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)布置
在進行高層建筑的獨立結(jié)構(gòu)單元布置時,應(yīng)該使得建筑結(jié)構(gòu)平面的形狀相對簡單、規(guī)則、剛度和承載力都能均勻的分布。建筑的豎直方向體型應(yīng)該規(guī)則、均勻,避免有過大的外挑和內(nèi)斂。建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度應(yīng)該是下部剛度大上部剛度小,并逐漸的進行變化。其高層建筑在進行結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)該遵循以下幾點要求:
1、在進行高層建筑的結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)該具有必要的承載能力、足夠大的剛度以及變形能力。
2、在進行高層建筑的結(jié)構(gòu)布置時,應(yīng)該注意避免因為部分建筑結(jié)構(gòu)或者是構(gòu)件遭受損壞,從而導(dǎo)致了建筑結(jié)構(gòu)的整體喪失對重力、載荷以及地震的承受能力。
3、在進行高層建筑的結(jié)構(gòu)布置時,對可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進行嚴格的審核,并且及時采取相應(yīng)的有效措施來進行應(yīng)對。
4、在進行高層建筑的結(jié)構(gòu)布置時,其建筑結(jié)構(gòu)的豎直方向和水平方向的布置,應(yīng)該使建筑的剛度以及承載力進行合理的分布,避免因地震時引起的局部突變和扭轉(zhuǎn)效益的發(fā)生,具有多道抗震設(shè)防的特點。
四、高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)計算
目前國內(nèi)外在進行高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的計算時,都開始廣泛的采用電腦軟件,特別是在面對一些比較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)形式時,電腦軟件能對其提供巨大的幫助。在運用電腦軟件進行建筑抗震結(jié)構(gòu)的計算時,要求建筑結(jié)構(gòu)的工程師必須具有清晰的結(jié)構(gòu)概念,能準確在計算機上建立出反映工程實際情況的模型,還要能對其計算結(jié)果是否具有準確性、合理性做出分析。
在利用計算機進行對高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)計算時,要求計算機軟件的技術(shù)條件應(yīng)該符合相關(guān)的標準規(guī)范,并且在進行特殊結(jié)構(gòu)處理計算時,還要闡明其內(nèi)容方面相關(guān)的科學(xué)依據(jù)。在面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)下,多發(fā)地震災(zāi)害的建筑內(nèi)力和變形的分析時,至少要采用兩個不同的力學(xué)模型進行研究計算,對計算出來的結(jié)果進行準確的分析、確認無誤后,才能進行相關(guān)建筑工程的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計。
五、提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能
由于高層建筑的受力特點與低層建筑的受力特點有所不同,所以在地震頻發(fā)區(qū),進行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時,除了在保證建筑結(jié)構(gòu)具有足夠良好的強度以及剛度以外,還必須具有一定的塑性變形能力,來減少地震對高層建筑的破壞。
高層建筑如果采用框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計,應(yīng)該保證節(jié)點基本不會受到破壞,同一樓層中各個梁柱的兩端屈服歷程越長越好,而梁柱兩端的塑性鉸的出現(xiàn)應(yīng)盡可能相對分散,以此充分發(fā)揮出整體框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。
六、結(jié)語
為了保證高層建筑具有良好的抗震性,在地震災(zāi)害來臨之際可以有效的對人民的生命財產(chǎn)安全提供保護,在進行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時,就必須要通過其受力的特點、建筑結(jié)構(gòu)的體系、建筑結(jié)構(gòu)的布置以及計算進行詳細的分析,然后再進行建造。只有這樣才能保證高層建筑擁有良好的抗震能力,減少材料用量,降低工程造價,使人們的生命財產(chǎn)安全受到有效保護。
參考文獻:
[1]陳天華.高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計探析[J].中國科技信息,2011,(16)
[2]盧偉.高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計之探討[J].價值工程,2011,30(5)
關(guān)鍵詞:高層 建筑 杭震 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 探析
中圖分類號:TU97 文獻標識碼:A
正文:
一、高層建筑抗震結(jié)構(gòu)的分析
現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)形式主要是一個垂直于地面的豎向懸臂結(jié)構(gòu)。其建筑的垂直載荷主要使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個與地球引力相抗衡的軸心力;建筑的水平載荷使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從建筑結(jié)構(gòu)的受力特點進行分析可以看出:當(dāng)建筑的垂直載荷方向保持不變時,隨著建筑高度的不斷增加僅僅會引起量的增加而已,而這時水平載荷的方向就可以來自四面八方;而當(dāng)建筑為平均分布載荷時,建筑的高度就和彎矩呈現(xiàn)出二次方的變化。
再從建筑的側(cè)移特點來看:建筑豎直方向載荷引起的建筑位移是比較小的,而水平方向的載荷作為平均分布的載荷時,建筑的高度就和其側(cè)移呈現(xiàn)出四次方的變化。由此可以得出,在高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)中,水平方向的載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響是要遠遠大于垂直方向載荷對建筑結(jié)構(gòu)的影響的,所以在進行高層混凝土建筑建設(shè)時,水平載荷是在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要重點控制的影響因素,所以除了在保證高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗水平載荷產(chǎn)生的彎矩、剪力以及壓、拉應(yīng)力時,要具有較大的強度以外,還要保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度,使得建筑隨著高度的不斷升高,所引起的側(cè)向變形能控制在結(jié)構(gòu)規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。
二、高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求
一方面,高層混凝土建筑在設(shè)計規(guī)劃時,一定要把握好結(jié)構(gòu)剛度值的大小,經(jīng)過精確的計算分析,充分了解地質(zhì)地形條件、所用建材性能、機械設(shè)備運行參數(shù)、物理力學(xué)知識等內(nèi)容,最終確定高層結(jié)構(gòu)的整體剛度強弱或者某個結(jié)構(gòu)設(shè)施的剛度,依靠連接設(shè)置的調(diào)節(jié)作用,力求保證抗震能力的提高,盡量讓整個建筑波動受力保持在地質(zhì)所能支持的范圍之間。也就是說,如果其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生小幅度的變形,結(jié)構(gòu)的自我調(diào)節(jié)功能就會使得整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生大幅度改變,在經(jīng)過一此維護工作之后,仍然具有使用價值。
另一方面,在結(jié)構(gòu)設(shè)計以及規(guī)劃時,結(jié)構(gòu)工程師一定要著重關(guān)鍵構(gòu)件和連接點的受力情況,采取相關(guān)措施進行有效調(diào)節(jié),可以達到消災(zāi)減震的目的,盡最大程度地降低地震災(zāi)害帶來的損失。根據(jù)有關(guān)地震災(zāi)害統(tǒng)計,剛度過于柔和的高層混凝土建筑受到強大的震動作用后,其主體結(jié)構(gòu)受到了一定程度的損毀,然而在余震的相繼作用之下,就會受到持續(xù)損壞導(dǎo)致崩塌。
總之,對于高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計,一定要保證其結(jié)構(gòu)具備適宜的剛度,還要改善其延性等特點,進而增強其整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。
三、改善高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計具體措施
(一)選定建設(shè)位置
根據(jù)地震災(zāi)害情況的綜合分析,我們得出,如果建筑物所處的位置不同,那么其承受地震作用也會有很大的差別,究其原因就是所處地質(zhì)條件存在不同點。這就需要,在建設(shè)項目位置選定時,應(yīng)該注意以下兩點內(nèi)容:一是工程項目建設(shè)位置的地質(zhì)環(huán)境應(yīng)該具有良好的抗震能力;二是應(yīng)該遠離有重大威脅的場地,例如變電站、大型石油保存設(shè)施等等,防止除地震外其他因素帶來的安個隱患問題。
(二)改進結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
結(jié)構(gòu)工程師所采用的方案要求設(shè)計出的建筑能夠滿足國家規(guī)定建筑抗震能力的標準,實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)有足夠的空間進行調(diào)節(jié)變形,并且能夠在結(jié)構(gòu)的強大延性作用下,自動回復(fù)到正常狀態(tài),這樣就大大削弱了主體變形對整個建筑結(jié)構(gòu)帶來的不利作用,達到高層混凝土結(jié)構(gòu)長期處于穩(wěn)定牢固的平衡狀態(tài)。在平算不同程度的地震作用力對結(jié)構(gòu)造成的影響,對其構(gòu)件開展科學(xué)合理的布局,盡量協(xié)調(diào)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)各種設(shè)施之間的受力情況,維持平衡,加大其承受外力的能力,著重考慮結(jié)構(gòu)豎向重力作用的情況,使其平和勻稱,達到剛度規(guī)劃的要求目標,盡可能讓設(shè)計結(jié)構(gòu)有條理、不紊亂、有層次、不交錯,實現(xiàn)增加整體抗震能力的目的著平研究地震災(zāi)害記錄信息,根據(jù)實際要素在設(shè)計中融入相應(yīng)的防震措施,對關(guān)鍵微小部分要嚴加處理應(yīng)對,使整體結(jié)構(gòu)由上到下所承受的重力均勻一致的降低,保持建筑整體的對稱情況,這種一目了然的重力變化規(guī)建能夠大大削弱地震帶來的水平與豎向不規(guī)則的作用力,因而有了相應(yīng)的抗震效果。
(三)控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)
地震作用有水平作用、豎向作用以及扭轉(zhuǎn)作用,在多種受力的綜合下,就會產(chǎn)生難以估量的破壞力,如地裂、房屋倒塌、地勢波動較為強烈等由于地震爆發(fā)具有隨時性,其中包含很多不穩(wěn)定的地方,這就要求對于高層混凝土建筑抗震方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,強調(diào)地震帶來扭轉(zhuǎn)效應(yīng)如果沒有設(shè)置相關(guān)結(jié)構(gòu)位移的標準,就應(yīng)該選取所測定的最大位移部分的剛度以及減弱最小位移帶點剛度,保持結(jié)構(gòu)在整體方面位移的一致性保證每一個細節(jié)都達到相關(guān)的設(shè)計要求,一旦發(fā)現(xiàn)不合理的地方,就應(yīng)該及時作出有效的調(diào)整,盡量地控制地震扭轉(zhuǎn)作用帶來的不利影響。
(四)研究高層混凝土建筑各層結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置
對各層參數(shù)的設(shè)置主要是在模擬地震時各種受力作用帶給結(jié)構(gòu)設(shè)施受力分析的計算,例如,墻體承載能力、柱梁變形方面計算等等在高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的預(yù)處理階段,在充分了解所建項目的位置、地形條件、所選材料、施工工藝、質(zhì)量檢測等多個方面的基礎(chǔ)上,把握其中要點,建立建筑設(shè)計的基本框架,應(yīng)用自身的設(shè)計理念和專項技能來進行詳實的設(shè)計,并對一此關(guān)鍵地方做出十分重要的說明,來完成建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作最好能夠建立系統(tǒng)的完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫,便于結(jié)構(gòu)工程師查找相關(guān)案例,總結(jié)經(jīng)驗,采取合理的設(shè)計方法開展工作在研究建筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)綜合受理情況時,要選出相應(yīng)的力學(xué)模型,例如剪切理論和主拉應(yīng)力理論,來對建筑結(jié)構(gòu)受理是否合理進行判斷應(yīng)該對由計算機運算結(jié)果開展深入的調(diào)杳研究,估定其有效程度,為以后的結(jié)構(gòu)抗震能力的設(shè)計提供依據(jù)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)所要處理的參數(shù)包括整體的震動周期、扭轉(zhuǎn)角度、相關(guān)剛度比例等。因此,對于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計不能一蹴而就,應(yīng)該經(jīng)過反復(fù)的計算研究和多次協(xié)調(diào),在保證其結(jié)構(gòu)具有抗震能力的基礎(chǔ)上,確定結(jié)構(gòu)方面的有關(guān)參數(shù)。
四、高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)布置
在進行高層混凝土建筑的獨立結(jié)構(gòu)單元布置時,應(yīng)該使得建筑結(jié)構(gòu)平面的形狀相對簡單、規(guī)則、剛度和承載力都能均勻的分布。建筑的豎直方向體型應(yīng)該規(guī)則、均勻,避免有過大的外挑和內(nèi)斂。建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度應(yīng)該是下部剛度大上部剛度小,并逐漸的進行變化。其高層建筑在進行結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)該遵循以下幾點要求:
1、在進行高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)該具有必要的承載能力、足夠大的剛度以及變形能力。
2、在進行高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)布置時,應(yīng)該注意避免因為部分建筑結(jié)構(gòu)或者是構(gòu)件遭受損壞,從而導(dǎo)致了建筑結(jié)構(gòu)的整體喪失對重力、載荷以及地震的承受能力。
3、在進行高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)布置時,對可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進行嚴格的審核,并且及時采取相應(yīng)的有效措施來進行應(yīng)對。
4、在進行高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)布置時,其建筑結(jié)構(gòu)的豎直方向和水平方向的布置,應(yīng)該使建筑的剛度以及承載力進行合理的分布,避免因地震時引起的局部突變和扭轉(zhuǎn)效益的發(fā)生,具有多道抗震設(shè)防的特點。
結(jié)語
為了保證高層建筑具有良好的抗震性,在進行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時,就必須要通過其受力的特點、建筑結(jié)構(gòu)的體系、建筑結(jié)構(gòu)的布置以及計算進行詳細的分析,然后再進行建造,只有這樣才能保證高層混凝土建筑擁有良好的抗震能力,才能使人們的生命財產(chǎn)安全受到有效保護。
參考文獻:
[1] 現(xiàn)行建筑施工規(guī)范大全[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社,2009.
[2] GB50011 -2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].
【關(guān)鍵詞】高層建筑;結(jié)構(gòu)抗震;優(yōu)化設(shè)計
一、高層建筑抗震設(shè)計的必要性
在歷年的地震災(zāi)害中,結(jié)構(gòu)工程師逐漸認識到工程結(jié)構(gòu)中宏觀的“概念設(shè)計”比“數(shù)值設(shè)計”的抗震更為重要,所以對“概念設(shè)計”越來越重視。建筑建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的定義就是在結(jié)構(gòu)的宏觀整體的基礎(chǔ)上,根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)整體的要求,正確處理結(jié)構(gòu)總體方案、細部構(gòu)造及材料使用等,進而達到對建筑的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計。對在結(jié)構(gòu)中遇到的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件延性、剛度分布等問題,從宏觀的角度上對其進行鑒別、選擇等處理,通過適當(dāng)?shù)挠嬎慵皹?gòu)造來消除高層建筑抗震設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。工程師在進行概念設(shè)計時要充分運用其思維和判斷力,確定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題。因此,在進行抗震設(shè)計時,工程師要充分理解結(jié)構(gòu)抗震的特點,分析振動中結(jié)構(gòu)受力特性,抓住關(guān)鍵問題,用正確的思維才能得到科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
二、我國高層建筑抗震設(shè)計中的存在問題分析
⒈建筑高度問題分析。在我國制定的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定,在在一定設(shè)防烈度及結(jié)構(gòu)型式下,鋼筋混凝土高層建筑的高度要控制在一定的范圍之內(nèi)。這個高度要適合我國現(xiàn)階段經(jīng)濟發(fā)展水平、施工技術(shù)水平及建筑科研水平,總之要與我國目前的土建規(guī)范體系協(xié)調(diào)一致。但是我國現(xiàn)在實際的高層建筑的高度已經(jīng)遠遠超過了這個原則。要采用科學(xué)謹慎的態(tài)度對待這些超高限建筑,不但有組織專家對其論證也要進行模型振動臺試驗。在地震的強烈震感下,超高限建筑物會很容易產(chǎn)生加大的變形,高度越高,設(shè)計時的參數(shù)就容易超出其適用的范圍,特別是延性要求、材料性能、安全指標、荷載取值、力學(xué)模型等設(shè)計參數(shù),會發(fā)生質(zhì)變。
⒉材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題分析。在地震多發(fā)區(qū),人們越來越重視對建筑物所采用的材料及結(jié)構(gòu)體。對于150m以上的建筑,主要采用的結(jié)構(gòu)體系有框-筒、筒中筒和框架-支撐三種體系結(jié)構(gòu)。在高層建筑中,對建筑材料及結(jié)構(gòu)體系的選擇尤為重要,但是市場上現(xiàn)有的鋼材種類及類型很多,對其結(jié)構(gòu)的加工制造水平也在不斷的提高,所以要盡量選擇鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)來減少柱斷面的尺寸,已達到建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。高層建筑超過一定高度后,需要采用混凝土材料和鋼骨混凝土來達到減小風(fēng)振的目的。
⒊抗震設(shè)防烈度較低。建筑界權(quán)威專家指出,我國目前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度已經(jīng)不能夠適應(yīng)現(xiàn)階段的國情,甚至我國采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度,所以大幅度提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度水平已經(jīng)非常需要。因此在堅持抗震設(shè)計原則即“小震不壞,中震可修,大震不倒”下,重新對抗震設(shè)計進行審核,以適應(yīng)我國國情的需要。目前我國現(xiàn)行的抗震設(shè)防標準遠遠跟不上時代的發(fā)展,不但對筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的設(shè)防烈度低,而且抗震計算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也與發(fā)達國家相距甚遠,當(dāng)然對配筋率、梁柱承載力匹配等這些抗震延性的要求也不夠嚴格。在經(jīng)濟發(fā)展形式下社會財富也會越來越多,那么如果對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性沒有合理的設(shè)計必將帶來更嚴重的損失。
三、我國高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的具體設(shè)計分析
⒈在對高層建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計要注重其結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。高層建筑的結(jié)構(gòu)均勻性主要體現(xiàn)在:①高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的變形特性及剛度要相近?,F(xiàn)階段的高層建筑基本上都是三維的,但是地震的風(fēng)荷載等具有隨意性,誒有固定的方向,所以要想果高層建筑具有好的抗震 抗風(fēng)性能其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的變形特性和剛度要均勻;②高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的構(gòu)成變化及豎向斷面要均勻。即高層建筑主體結(jié)構(gòu)的的層剪切剛度要均勻,這樣即使一些薄弱層受到破壞,但是結(jié)構(gòu)整體不會受到破壞;③對高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進行平面布置時,同一主軸方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度的均勻,同時要避免布置一些剛度延性差如長窄的實體剪力墻結(jié)構(gòu)。不過這種結(jié)構(gòu)也是滿足不了剛度和對稱性要求,同時由于個別結(jié)構(gòu)剛度大,在地震時能夠吸收極大的能量會被破壞,從而被導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。但是如果同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻,那么水平荷載作用下應(yīng)力分布也會比較均勻,從而實現(xiàn)高層建筑體系的抗震性能。
⒊建筑結(jié)構(gòu)體系合理性選擇。在對高層建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時首先要考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,因為結(jié)構(gòu)的合理性直接決定對高層建筑的安全性及經(jīng)濟性。①對樓屋蓋梁系進行布置時,要分析那條是最短路徑使垂直重力荷載傳遞到豎向構(gòu)件墻 柱上去;②豎向構(gòu)件的布置。在垂直重力荷載作用下要盡量使豎向構(gòu)件的壓應(yīng)力水平均勻,這樣可以避免豎向構(gòu)件間壓應(yīng)力的二次轉(zhuǎn)移。垂直重力荷載下對豎向構(gòu)件的這種布置是是最合理優(yōu)化的布置;③轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的布置。要使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件所生成的垂直重力荷載通過最少的轉(zhuǎn)換層到達下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件;另外要明確整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)體系也應(yīng)該有多道抗震防線及合理的剛度。
四、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性設(shè)計分析
為提高高層建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性水平要注意一下幾點。①對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)置時要堅持“強柱弱梁”的原則;②限制剪壓比?,F(xiàn)階段的鋼筋混凝土構(gòu)件斜截面受剪承載力的設(shè)計表達式是由斜截面上箍筋能達到抗拉屈服強度及其受剪承載力隨配箍特征值的增長所決定的。但是較大的配箍特征值使其不能充分發(fā)揮其強度特性,也會影響剪壓比對構(gòu)件變形性能,所以對剪壓比限制,也是滿足構(gòu)件最小截面的要求;③軸壓比限制。軸壓比不但控制偏心受拉邊鋼筋抗拉的強度,而且也是受壓區(qū)混凝土邊緣達到其極限壓應(yīng)變的重要指標。無數(shù)次實驗證明,軸壓比越大柱的變形能力越小,尤其在高軸壓比下,通過增加箍筋來改善柱變形能力這種方式收效甚微。 因此,高層建筑結(jié)構(gòu)想要有比較好的抗震性,就應(yīng)限制偏心受壓構(gòu)件的軸壓比。同時也要特別注意影響高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性的其他因素包括剪跨比、混凝土鋼筋材料、縱向鋼筋配筋率、配箍率、箍筋型式鋼筋連接、錨固方式等,要保證這些方面都應(yīng)滿足高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求。
結(jié)論
土木工程技術(shù)人員在對高層建筑的研究及設(shè)計中,應(yīng)該站在對建筑的整體宏觀角度出法,在對建筑的整個設(shè)計過程中科學(xué)合理的運用概念設(shè)計,對建筑的功能、安全可靠性、經(jīng)
濟合理、美觀藝術(shù)性等方面具體的考慮并且在對建筑進行設(shè)計時不但要考慮其抗震結(jié)構(gòu)的造價,也要考慮其經(jīng)濟、社會效益,,創(chuàng)造出安全、經(jīng)濟的具有最優(yōu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的高程建筑。
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