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(lái)，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(lái)，高層建筑的日益增多，致使地震的發(fā)生所帶來(lái)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(duì)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(guó)在《建筑抗震規(guī)范》（GB50011-2001）這一規(guī)范中對(duì)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(shí)，建筑物的結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性變形階段，這時(shí)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(shí)，建筑物的結(jié)構(gòu)屈服進(jìn)入了非彈性變形階段，這時(shí)建筑物可能會(huì)在一定程度出現(xiàn)破壞。但經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(shí)，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(huì)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(gè)不同水準(zhǔn)烈度的地震作用水平，可按三個(gè)不同的超越概率（或重現(xiàn)期）來(lái)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(duì)待建筑物的抗震的三個(gè)水準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)防的具體要求，主要是通過(guò)“兩個(gè)階段”的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)完成的，主要方法和步驟如下：第一個(gè)階段：第一步是采用和第一個(gè)水準(zhǔn)烈度相對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，首先計(jì)算出來(lái)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(shí)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(mǎn)足第一個(gè)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(dòng)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(huì)超過(guò)抗震規(guī)范中所規(guī)定的極限值；并采用相對(duì)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(dòng)滿(mǎn)足第二個(gè)水準(zhǔn)所規(guī)定的變形要求。第二個(gè)階段：主要采用和第三個(gè)水準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的地震的動(dòng)參數(shù)，從而計(jì)算出來(lái)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(shí)采用響應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，進(jìn)而滿(mǎn)足第三個(gè)水準(zhǔn)所規(guī)定的防倒塌要求。 （2）2010年12月1日，我國(guó)正式通過(guò)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(gè)章并且包含12個(gè)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(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》調(diào)整和設(shè)計(jì)地震分組；對(duì)土壤液化判別公式進(jìn)行了改進(jìn)；對(duì)地震影響系數(shù)曲線(xiàn)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(duì)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(duì)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(jí)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(lái)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(lái)的，它主要是以強(qiáng)烈地震動(dòng)加速度的觀測(cè)記錄的增多和對(duì)地震過(guò)程當(dāng)中地表面運(yùn)動(dòng)特性的深入了解，及對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)動(dòng)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(duì)強(qiáng)烈地震動(dòng)加速度的觀測(cè)記錄的特性進(jìn)行了分析后所取得的一個(gè)很重要的成果。 動(dòng)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(dòng)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(lái)，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(duì)各種建筑物結(jié)構(gòu)在地震的作用下的線(xiàn)性和非線(xiàn)性反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程都有了較深入的了解，并且隨著強(qiáng)烈地震觀測(cè)臺(tái)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(dòng)力理論也被稱(chēng)之為地震時(shí)程分析理論，它主要是把地震作為一個(gè)連續(xù)的時(shí)間過(guò)程，并且選擇具有代表性的地震動(dòng)加速度的時(shí)程作為地震動(dòng)態(tài)輸入，將建筑物簡(jiǎn)化為一個(gè)多自由度的體系，最后計(jì)算得出每一個(gè)時(shí)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(wèn)題 1、建筑抗震設(shè)防程度低 目前我國(guó)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(guó)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(chǎng)地，不應(yīng)建在河岸上，不應(yīng)在兩類(lèi)土壤上建筑，并且應(yīng)該避開(kāi)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(xiǎn)的地段建造房屋。地基選取的不恰當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致抗震能力變差。 3、少數(shù)建筑高度太高     按我國(guó)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(gè)適宜的高度。在這個(gè)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(guò)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(huì)發(fā)生很大的變化，建筑物的抗震能力會(huì)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(guó)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(shí)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(mǎn)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(guó)和世界多個(gè)國(guó)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(shí)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(lái)的能量，從而減輕地震引起的反應(yīng)，最終使建筑物不會(huì)發(fā)生坍塌。采取滑移隔震、軟墊隔震、懸吊隔震等措施、擺動(dòng)隔震等方法，可以改變建筑物結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)設(shè)計(jì)做定量分析，從而使結(jié)構(gòu)的變形可以滿(mǎn)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(lái)確定構(gòu)件的變形大小；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(lái)確定構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。這樣，對(duì)于高層建筑，首先需要選擇堅(jiān)硬的場(chǎng)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(lái)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(jià)的情況下，可以增加建筑屋的層數(shù)，尤其是對(duì)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(huì)導(dǎo)致其重心上升，同時(shí)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(shí)的填充墻及隔墻應(yīng)當(dāng)采用輕質(zhì)材料。 結(jié)語(yǔ)： 政府對(duì)國(guó)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(huì)致使我國(guó)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(lái)的損失將會(huì)變得很小。 參考文獻(xiàn)：                                                           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