高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計(jì)

摘要：高層建筑的特點(diǎn)是高度比較高，所以地震荷載和風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)過(guò)程中占主導(dǎo)和控制地位，而我國(guó)又是地震多發(fā)國(guó)家，因此高層建筑的抗震設(shè)計(jì)分析顯得尤為重要。本文探討了高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層；建筑結(jié)構(gòu)；抗震；性能；設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)和城市化進(jìn)程的不斷向前推進(jìn)，建設(shè)用地日趨緊張，促使建筑能越來(lái)越多樣化，高層建筑的發(fā)展是大勢(shì)所趨。高層建筑的特點(diǎn)是高度比較高，所以地震荷載和風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)過(guò)程中占主導(dǎo)和控制地位，而我國(guó)又是地震多發(fā)國(guó)家，因此高層建筑的抗震設(shè)計(jì)分析顯得尤為重要。

一、高層建筑抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.控制建筑物的側(cè)移是重要的指標(biāo)。在地震荷載作用下，建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的水平剪切力占主導(dǎo)地位，所以建筑物會(huì)產(chǎn)生明顯的側(cè)移，隨建筑結(jié)構(gòu)的高度不斷曾加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移迅速增大，

但該變形要在一定限度之內(nèi)，這樣才能保證結(jié)構(gòu)安全以及使用功能。

2.地震荷載中的水平荷載是決定因素。水平荷載會(huì)使建筑物產(chǎn)生傾覆力矩，并且在結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件中引起很大的軸力，這些都與建筑物高度的兩次方成正比，故隨建筑結(jié)構(gòu)高度的曾加，水平載荷大相徑庭。對(duì)高度一定的建筑物而言，豎向荷載基本上是不變的，但是隨著建筑物的質(zhì)量.剛度等動(dòng)力特性的不同，水平地震荷載和風(fēng)荷載的變化是比較大的。

3.要重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加，剛度減小，顯得更柔，在地震荷載作用下變形較大。這就要求建筑結(jié)構(gòu)要有足夠的變形能力，使結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段仍然安全，需要在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取有利的措施，使得建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

在罕遇地震作用下,抗震結(jié)構(gòu)都會(huì)部分進(jìn)入塑性狀態(tài),為了滿足大震作用下結(jié)構(gòu)的功能要求,有必要研究和計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì),是根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平的地震作用下的性能或變形要求進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)彈塑性分析將成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)必要的組成部分。但是由于結(jié)構(gòu)彈塑性分析的復(fù)雜性,在如何進(jìn)行計(jì)算和如何設(shè)定具體要求的問(wèn)題上,各國(guó)的做法也有所不同。

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范(GB50011-2010)要求高層建筑的抗震計(jì)算主要是在多遇地震作用下(小震),按反應(yīng)譜理論計(jì)算地震作用,用彈性方法計(jì)算內(nèi)力及位移,并用極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)構(gòu)件。對(duì)于重要建筑或有特殊要求時(shí),要用時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算,并進(jìn)行大震作用下的變形驗(yàn)算。這種先用多遇地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),再校核罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性變形的方法,即為所謂的二階段設(shè)計(jì)方法。同時(shí)規(guī)范規(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(dòng)力分析(時(shí)程分析)和彈塑性靜力分析(推力計(jì)算)兩大類。彈塑性動(dòng)力分析,采用桿模型和層模型等簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,將地震波記錄直接輸入結(jié)構(gòu),考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性性能,依據(jù)結(jié)構(gòu)彈塑性恢復(fù)特性建立動(dòng)力方程,用逐步積分直接求出地震過(guò)程中位移.速度和加速度的時(shí)程變化,從而能夠描述結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下,在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化,以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐步開(kāi)裂.屈服.損壞直至倒塌的全過(guò)程。桿模型計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)是可以得到桿件狀態(tài)隨時(shí)間的變化過(guò)程,也可得到各樓層的反應(yīng)。但耗時(shí)多.費(fèi)用昂貴.結(jié)果數(shù)據(jù)量大且分析比較繁冗,在國(guó)外也極少采用。層模型計(jì)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(yàn)結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全性。層模型計(jì)算的數(shù)據(jù)相對(duì)較少,適宜于進(jìn)行宏觀檢驗(yàn),也便于計(jì)算多條地震波作用。無(wú)論是采用桿模型還是層模型進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,都要求設(shè)計(jì)人員具有較高水平的專業(yè)知識(shí),且計(jì)算結(jié)果受地震波的影響較大,不存在唯一答案,有時(shí)難以判斷。上世紀(jì)九十年代中期一些國(guó)家的學(xué)者相繼提出彈塑性靜力分析方法(Push-overAnaldysis)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析。這種方法并非創(chuàng)新,但有較多優(yōu)點(diǎn)。彈塑性靜力分析采用空間協(xié)同平面結(jié)構(gòu)模型或三維空間模型;每個(gè)構(gòu)件(梁.柱.墻)都根據(jù)其截面尺寸.配筋及材料確定其彈塑性力--變形關(guān)系;在結(jié)構(gòu)上施加某種分布的樓層水平荷載,逐級(jí)增大;隨著荷載逐步增大,某些桿端屈服,出現(xiàn)塑性鉸,直至塑性鉸足夠多或?qū)娱g位移角足夠大,計(jì)算結(jié)束。由彈塑性靜力分析,可以了解結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力和承載力的關(guān)系以及各桿件承載力間的相互關(guān)系,檢查是否符合強(qiáng)柱弱梁(或強(qiáng)剪弱彎),并可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱部位,還可得到不同受力階段的側(cè)移變形,給出底部剪力--頂點(diǎn)側(cè)移關(guān)系曲線以及層剪力--層間變形關(guān)系曲線等等。后者即可作為各樓層的層剪力--層間位移骨架線,它是進(jìn)行層模型彈性時(shí)程分析所必須的參數(shù)。只要結(jié)構(gòu)一定(尺寸.配筋.材料),其結(jié)果不受地震波的影響,而與初始樓層水平荷載的分布有關(guān)。

三、基于抗震性能的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.選擇合理的高層建筑結(jié)構(gòu)體系

合理選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系，提高高層建筑承載能力.變形能力及消減地震能量能力，是實(shí)現(xiàn)建筑物安全性.經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。首先，要將抗震概念融匯在高層建筑設(shè)計(jì)中，全面考慮建筑物的平立面外形尺寸，抗側(cè)力構(gòu)件布置.質(zhì)量分布，承載力分布等諸多因素，提倡平.立面簡(jiǎn)單對(duì)稱，構(gòu)建規(guī)則的建筑布置，采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和細(xì)部處理，確?？箓?cè)力體系的剛度承載力上下變化連續(xù).均勻。其次，要對(duì)有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形和建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力實(shí)施嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)算。建立起具有良好性能的多重抗震結(jié)構(gòu)框架。主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度的選擇應(yīng)大于規(guī)范的闕值，對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移實(shí)行控制。形成良好的塑性內(nèi)力重分布能力，有效吸收和消耗地震能量所帶來(lái)的壓力。第三，遵守“強(qiáng)柱弱梁.強(qiáng)剪弱彎.強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件.強(qiáng)底層柱（墻）”的原則，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力.剛度.穩(wěn)定性.延性等性能相對(duì)薄弱部位采取輔助措施。

2.盡量選擇抗震性能突出的結(jié)構(gòu)材料

從某種意義上講，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震能力，實(shí)質(zhì)是不同建筑構(gòu)件在地震來(lái)襲時(shí)其承載能力與延展能力的集合。這就要求我們?cè)诟邔咏ㄖ校鶕?jù)建筑工程的條件，優(yōu)選抗震性能突出的結(jié)構(gòu)材料。按照抗震性能比較，不同材料的結(jié)構(gòu)類型性能等級(jí)排序?yàn)椋轰摻Y(jié)構(gòu).型鋼混凝土結(jié)構(gòu).現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).鋼筋砌體結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)鋼材產(chǎn)量巨大，供

應(yīng)充沛。因此，盡可能采用鋼結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。通過(guò)減小柱斷面尺寸，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在高層建筑中還應(yīng)注意選用新型建筑結(jié)構(gòu)和材料，減輕結(jié)構(gòu)自重。在相同地基處理的情況下，利用鋼管混凝土承重柱自重可減輕65%左右，從而降低建筑體的重心，減小地震作用時(shí)傾覆力矩，提高建筑體穩(wěn)定性，優(yōu)化其抗震性能。

3.構(gòu)設(shè)多道抗震技術(shù)措施

構(gòu)設(shè)有效的技術(shù)措施，是提高高層建筑抗震性能的重要因素。

（1）在建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中保持比較充裕的內(nèi)部.外部冗余度，適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，建立一系列分布的屈服區(qū)，使“有效屈服”保持較長(zhǎng)階段，吸收和耗散地震能量；

（2）改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，采取軟墊隔震.滑移隔震.擺動(dòng)隔震等方式，減少地震能量輸入，減輕地震引發(fā)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)；

(3）采用新型復(fù)合材料鋼纖維混凝土，阻滯帶基體混凝土裂縫的形成，提高建筑混凝土的抗拉.抗彎.抗剪強(qiáng)度，改善建筑結(jié)構(gòu)的抗沖擊.抗疲勞.裂后韌性和耐久性；(4）采用鋼管混凝土柱。在鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)中，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋。通過(guò)鋼管內(nèi)混凝土受到鋼管側(cè)向約束導(dǎo)致的三向受壓，以及鋼骨本身良好的塑性，提高混凝土的延性.抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳麗紅.論高層建筑抗震設(shè)計(jì)理念[J].科技資訊,2011,(11).

[2]張剛.淺談高層建筑的抗震設(shè)計(jì)