試論高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

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摘要：古往今來，地震作為一種強(qiáng)烈的自然災(zāi)害，一直難以被避免和預(yù)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(shí)際出發(fā)，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)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(diǎn)要求，即“三水準(zhǔn)、兩階段”，“三水準(zhǔn)”主要是指“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當(dāng)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(dāng)遭遇到相當(dāng)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(jìn)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(dāng)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(yán)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(dǎo)致建筑物倒塌或者發(fā)生更為嚴(yán)重的破壞，這樣可以保障人員的安全。這三個不同水準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)進(jìn)行設(shè)防的具體要求，主要是通過“兩個階段”的設(shè)計(jì)來實(shí)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(zhǔn)烈度相對應(yīng)的地震動參數(shù)，首先計(jì)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(fēng)和重力的荷載效應(yīng)進(jìn)行組合。同時將承載力抗震調(diào)整系數(shù)引入其中。并進(jìn)行建筑物構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)，最終滿足第一個水準(zhǔn)的強(qiáng)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(jìn)行計(jì)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(jìn)而能自動滿足第二個水準(zhǔn)所規(guī)定的變形要求。第二個階段：主要采用和第三個水準(zhǔn)相對應(yīng)的地震的動參數(shù)，從而計(jì)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(jìn)而滿足第三個水準(zhǔn)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(jì)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(bǔ)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(jì)地震分組；對土壤液化判別公式進(jìn)行了改進(jìn)；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(jì)算進(jìn)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(jì)算方法進(jìn)行了補(bǔ)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(jì)規(guī)范要求進(jìn)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(jìn)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(kuò)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(jì)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(jì)規(guī)定。 2、抗震設(shè)計(jì)的理論歷程 擬靜力理論主要是在20世紀(jì)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(jì)40～60年代期間而發(fā)展起來的，它主要是以強(qiáng)烈地震動加速度的觀測記錄的增多和對地震過程當(dāng)中地表面運(yùn)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(xué)院的一些學(xué)者對強(qiáng)烈地震動加速度的觀測記錄的特性進(jìn)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(jì) 70-80 年代期間得到廣泛應(yīng)用的地震動力學(xué)理論。它能得以快速發(fā)展和應(yīng)用，除因60年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展以外，學(xué)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(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)建在堅(jiān)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(dāng)可能會導(dǎo)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(jì)和工程預(yù)算的相應(yīng)參數(shù)需要重新選取。 4、建筑材料的不科學(xué)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(zhǔn)。但是因?yàn)榻ㄖ锏膹澢冃蔚膫?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(fù)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(qiáng)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(jì)的主要方法 1、 推廣使用消能和隔震減震設(shè)計(jì)     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(dāng)控制建筑物的剛度，但是這樣的設(shè)計(jì)是容許構(gòu)件在地震發(fā)生時進(jìn)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(jìn)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(jì)當(dāng)中，可以采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)法，并且對設(shè)計(jì)做定量分析，從而使結(jié)構(gòu)的變形可以滿足在預(yù)期力的作用下的變形要求。不僅要驗(yàn)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(dá)到的應(yīng)變分布和應(yīng)變大小，來確定構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。這樣，對于高層建筑，首先需要選擇堅(jiān)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(qiáng)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(dǎo)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(jì)時的填充墻及隔墻應(yīng)當(dāng)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(jì)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(jì)方面必將進(jìn)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(xiàn)：                                                           [1]于險峰.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[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(jì)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(jì)[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(jì)之探討[J].價值工程.2011,05:84-85.