高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解探討

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摘要:針對高層建筑的安全問題，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念下，結(jié)合新技術(shù)、新觀點(diǎn)，從高層建筑的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)內(nèi)容兩方面展開論述，以期提高抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)我國高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞:高層建筑，抗震，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳力體系

中國人口問題是整個社會的問題，如何安置這么龐大的人口數(shù)量，建筑業(yè)承擔(dān)著巨大的考驗(yàn)。老舊房屋占地多，抗震性能低，在舒適性上也達(dá)不到日益增長的居民要求，所以高層建筑的出現(xiàn)可以很好的解決這個矛盾，在保證舒適度的前提下，如何安全合理的建造高層建筑就顯得尤為重要。近二十年，我國高層建筑的建造速度讓世界驚嘆，隨著設(shè)計(jì)水平和施工水平的提高，高層建筑的種類和結(jié)構(gòu)形式層出不窮，但是說到根本，抗震性能才是高層建筑尤為應(yīng)當(dāng)重視的問題，隨著抗震規(guī)范的不斷更新，對于高層建筑的要求也越來越嚴(yán)格，加之現(xiàn)在興起的隔震減震技術(shù)，也為高層建筑的抗震性能提高了一個新的臺階。

1設(shè)計(jì)原則

1)保證建筑物整體性。建筑物由豎向受力構(gòu)件和水平受力構(gòu)件組成，兩個方向要保證整體性，同樣兩個方向之間要求連接的整體性。墻體為豎向受力構(gòu)件，梁為水平受力構(gòu)件，樓板將所有構(gòu)件連接，使構(gòu)件協(xié)同工作。在抗震規(guī)范中，對于樓板開洞的面積比有嚴(yán)格的要求，就是要防止樓板不連續(xù)，建筑物整體性差，所以對于樓梯間和電梯間區(qū)域，由于樓板開洞面積較大，設(shè)計(jì)時需要在洞口周邊加強(qiáng)，也是保證整體性的要求。而且連續(xù)的樓板可以提供很強(qiáng)的抗側(cè)力，保證各抗側(cè)力構(gòu)件的受力傳遞，促進(jìn)協(xié)同工作，一同承受地震力。對于錯層、大面積開洞的情況，我們設(shè)計(jì)時要盡量避免，對于方案確實(shí)要求的，必須增加牢靠的構(gòu)造措施，考慮樓板不連續(xù)帶來的整體性問題。2)保證建筑物傳力體系簡單。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳力體系是一個建筑合理的必要條件，在規(guī)范中也有明確的規(guī)定。我們常常說的計(jì)算簡圖，就是要求結(jié)構(gòu)形成簡單的受力傳力體系，在建筑物承受地震荷載時，各受力構(gòu)件通過清晰的傳力路徑，將地震力分級化簡并分別承受。對于高層建筑，只有合理簡單的地震作用傳遞路徑，才能在計(jì)算模型中精確的模擬出內(nèi)力和位移，便于準(zhǔn)確的分析受力構(gòu)件的分配情況，使設(shè)計(jì)更加與真實(shí)情況符合，達(dá)到地震作用的可靠預(yù)測。3)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確。對于高層建筑，常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有PKPM和YJK，這兩個軟件對于常規(guī)的建筑建模輸入內(nèi)容大同小異。對于一個高層建筑計(jì)算的準(zhǔn)確性，首先保證各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確。比如:抗震等級、構(gòu)造措施是否提高一度、嵌固層位置、場地等級、底部加強(qiáng)區(qū)的劃分等等。此外，建筑荷載、風(fēng)荷載也是考慮的重要因素。一個小小的參數(shù)勾選，直接決定了整個建筑模型的真實(shí)性，所以在結(jié)構(gòu)模型輸入時要尤為細(xì)心，并且對于結(jié)算結(jié)果要有甄別。

2設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)選址的正確性。萬丈高樓平地起，一個高層建筑的地基及周邊場地的情況對于高層建筑的安全尤為重要，也是首當(dāng)其沖的。在進(jìn)行建筑場地選址的時候，需要進(jìn)行震害評估和環(huán)境評估，對于場地是否處于地震斷裂帶、是否存在泥石流滑坡尤為要避免，對于地基土層的不良性，如濕陷性、液化性、軟弱性，若避免不了，需嚴(yán)格按照地基處理技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求進(jìn)行地基處理。這就要求地質(zhì)勘查報告的準(zhǔn)確性和客觀性，尤其是高層建筑，下部土層分布、厚度、種類和性狀一定要探查清楚。經(jīng)過地基處理的高層建筑，一定要設(shè)置多道防線，不僅依靠地基處理，還應(yīng)對基礎(chǔ)的整體性和上部結(jié)構(gòu)的整體性予以加強(qiáng)。要把地震力恰當(dāng)?shù)哪M到建筑物各個受力構(gòu)件，采用分項(xiàng)系數(shù)法，系統(tǒng)性的提高各構(gòu)件的抗震能力。適當(dāng)提高抗震措施，有利于提高不良地質(zhì)土層上高層建筑的安全性和抗震性。2)控制高層建筑的層間位移角限值。在抗震設(shè)計(jì)時，高層建筑的模型分析結(jié)果中層間位移角是個重要的評判指標(biāo)，也是定量的指標(biāo)，旨在滿足地震作用下高層建筑的變形性能。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。盡量保證安全合理。此值應(yīng)小于并接近規(guī)范要求的限值視為最優(yōu)方案，同樣要滿足兩個方向的位移角限值相近的原則，保證建筑在兩個方向承受地震力的能力相當(dāng)，切忌出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。這個值的關(guān)鍵在于豎向受力構(gòu)件的布置分布情況、混凝土強(qiáng)度和構(gòu)件尺寸，根據(jù)SETWA驗(yàn)算結(jié)果，分析建筑抗力分散情況，合理輸入?yún)?shù)，將地震給高層建筑造成的影響減少到最小。3)隔震與減震的運(yùn)用。近幾年，隔震減震技術(shù)蓬勃發(fā)展，我省住建局提出了強(qiáng)制性要求，就是中小學(xué)和醫(yī)院新建項(xiàng)目對于隔震減震的設(shè)置要求。運(yùn)用隔震減震可以提高建筑的延性，也屬于抗震措施的一種，對于整個建筑在承受地震力時的能量消耗起到一定的作用，但這個作用的定量性較難，雖然現(xiàn)在的YJK軟件可以模擬隔震減震構(gòu)件的輸入，但在計(jì)算分析時，也是模糊的。所以現(xiàn)在高層建筑減震隔震設(shè)計(jì)還停留在構(gòu)造和概念階段，對于定量的消耗地震力需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。4)結(jié)構(gòu)體系的選擇。結(jié)構(gòu)體系，是受力體系，也是傳遞荷載的體系，關(guān)系到建筑物安全。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)體系的選擇是一個建筑合理經(jīng)濟(jì)的根本。對于住宅，要求的墻體構(gòu)件較多，純剪力墻結(jié)構(gòu)很適用;對于辦公樓、綜合體建筑，筒體結(jié)構(gòu)可以很好的滿足使用功能;對于超高層、超限工程，鋼結(jié)構(gòu)是不二之選。在選取合適的結(jié)構(gòu)類型過程中，我們要保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能的滿足建筑使用功能。隨著我國鋼材生產(chǎn)量和質(zhì)量雙雙提高的情況下，很多新興的結(jié)構(gòu)形式，比如鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為高層建筑所用，這樣既能夠使得構(gòu)件截面尺寸大大縮減，又對于建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的改善是非常有利的。5)結(jié)構(gòu)自重的控制。地震力作用的大小，與結(jié)構(gòu)自身重量有著緊密的聯(lián)系，相同條件下，建筑質(zhì)量大的，地震力破壞也就越大。地震力就是根據(jù)質(zhì)量越大，分配越大的原則進(jìn)行分配的，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，控制個別構(gòu)件的自身質(zhì)量，有利于地震力平均分配。這也就是我們在建模時，要在過長的墻段上開洞，就是為了減小它的整體剛度，避免地震力的聚集。研究表明，合理優(yōu)化建筑自身重量，對于控制成本、控制安全都是有好處的。為了極大限度的減輕建筑物自重，需要對于填充墻體的材料進(jìn)行優(yōu)選，既要滿足使用需要，又要滿足強(qiáng)度要求，所以新型建筑圍護(hù)材料的出現(xiàn)有效的幫助了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師。6)多道防線齊抗震。安全體系其實(shí)就是防御體系的設(shè)置，對于一個高層建筑，一道安全體系很難保證建筑的安全，當(dāng)遇到偶然荷載或破壞沖擊荷載的情況下，一道體系的破壞會導(dǎo)致整個體系的失效，所以我們在抗震設(shè)計(jì)時常采用兩個或兩個以上的體系共同組成的結(jié)構(gòu)抗震體系。因?yàn)榇笳鸪０殡S著余震，火災(zāi)常伴隨著水患等等類似的災(zāi)害都會伴隨著其他問題，所以要防止當(dāng)某一結(jié)構(gòu)損傷引發(fā)結(jié)構(gòu)的整體坍塌。在高層設(shè)計(jì)時，剪力墻作為豎向受力構(gòu)件，我們采取“大分散小集中”的方式來布置，就是為了最大限度的保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件冗余度。對于混凝土結(jié)構(gòu)，還要建立完整的屈服體系，也就是主要受力構(gòu)件，要具備較高的延性和剛度，在受到地震時，可以在第一道防線損壞的情況下，還有第二道、第三道防線。

3結(jié)語

中國，繼續(xù)以高速發(fā)展屹立于世界，將會是世界上建造高層最多的國家，每一種材料，每一種結(jié)構(gòu)形式都需要進(jìn)行抗震分析，尤其是抗震對材料的要求也會尤為突出。我們設(shè)計(jì)人員不僅僅要會使用常用的結(jié)構(gòu)分析軟件，也要專研一些高級別的結(jié)構(gòu)軟件，提高對抗震分析尤其是整體結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。還要提高模擬到實(shí)踐的結(jié)合方式，不斷改進(jìn)建模手段，強(qiáng)化模型合理化，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。高層建筑的安全與社會的穩(wěn)定密不可分，高層建筑的安全也體現(xiàn)了一個設(shè)計(jì)師的水平。在抗震設(shè)計(jì)的過程中，需要各專業(yè)從自己的角度提出合理化的建議，在高效配合的前提下，完成抗震設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)劣也是施工的根本，在優(yōu)化設(shè)計(jì)上，要結(jié)合新理念、新技術(shù)，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:郭雪 單位:山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司