高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

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摘要:隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市建筑的高度越來越高，體型變得更加復(fù)雜，同時(shí)建筑的抗震設(shè)計(jì)也顯得更加重要和復(fù)雜。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，重點(diǎn)分析了建筑抗震設(shè)計(jì)方法以及隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保建筑的抗震效果。 

關(guān)鍵詞:高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)力；基礎(chǔ)  我國是遭受地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一，在汶川大地震之后，地震災(zāi)害引起了人們的廣泛關(guān)注。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建筑建筑的高度越來越高,體型變得更加復(fù)雜,抗震設(shè)計(jì)也變得愈加困難。“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)理念是得到普遍認(rèn)可的，在這種情況下，如何做好建筑的抗震設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的重要話題。  1荷載與應(yīng)力分析  1.1荷載與外力的種類  建筑的荷載指的是使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其它因素，分為豎向荷載，以及水平荷載。此外，又分類為經(jīng)常作用于建筑上的力，以及臨時(shí)作用于建筑物上的力(臨時(shí)荷載)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，因固定荷載產(chǎn)生的長(zhǎng)期應(yīng)力，以及在固定荷載上再加上臨時(shí)荷載時(shí)，視作短期產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于在結(jié)構(gòu)支承上的主要部分所施加的長(zhǎng)期與短期的應(yīng)力值，必須確定它們不得超過各容許應(yīng)力值。  1.2荷載與結(jié)構(gòu)因素  剛接乃指構(gòu)件與構(gòu)件之節(jié)點(diǎn)上的角度，即使受到外力使鋼架產(chǎn)生變形之后，其角度仍然不會(huì)產(chǎn)生變化的連接形式。而框架結(jié)構(gòu)則是指各節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件由剛接而成的構(gòu)架。在對(duì)應(yīng)于豎向荷載的結(jié)構(gòu)方式上，比框架結(jié)構(gòu)更能夠加長(zhǎng)跨距，或降低框架的重量。在對(duì)應(yīng)于水平荷載方面的構(gòu)件上來說，若與框架結(jié)構(gòu)相比，由于能夠加強(qiáng)水平荷載，于是就被當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)的抗震要素來使用。  1.3連接點(diǎn)的種類  在建筑結(jié)構(gòu)上，支點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)都是的重要連接點(diǎn)，我們把連接建筑地基與其他結(jié)構(gòu)體的接點(diǎn)稱作支點(diǎn)，而把兩支以上之構(gòu)件的交點(diǎn)就稱作節(jié)點(diǎn)。當(dāng)構(gòu)件上有外力作用時(shí)，在支點(diǎn)上產(chǎn)生反力的構(gòu)件會(huì)維持靜止?fàn)顟B(tài)。支點(diǎn)上所產(chǎn)生之反力的數(shù)量，會(huì)因支承方式而有差異，移動(dòng)端在垂直于移動(dòng)方向的方向上出現(xiàn)一個(gè)反力，回轉(zhuǎn)端在直交方向上出現(xiàn)兩個(gè)反力，固定端在直交的兩個(gè)方向與固定端彎矩的一個(gè)方向上產(chǎn)生反力。  1.4應(yīng)力與變形  軸方向力是當(dāng)外力作用于材軸方向時(shí)的應(yīng)力，若在任意點(diǎn)上相互產(chǎn)生拉力時(shí)就稱作拉力，相互產(chǎn)生壓縮時(shí)就稱作壓力。剪力則是指外力想要從構(gòu)件軸線呈垂直方向切斷構(gòu)件之時(shí)，在任意點(diǎn)上產(chǎn)生之一對(duì)應(yīng)力。彎矩是指外力想要對(duì)于構(gòu)件產(chǎn)生彎曲作用時(shí)而在任意點(diǎn)上產(chǎn)生之一對(duì)彎矩。屈曲是指外力持續(xù)增加時(shí)的某一時(shí)刻急遽產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。  2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)種類及施工方法  基礎(chǔ)的作用，乃是針對(duì)作用于建筑物的力，避免建筑物橫向移動(dòng)、下陷，或浮起，在地基上堅(jiān)固地支持建筑物。為了支承建筑物，基礎(chǔ)必須由擁有足夠支承力的堅(jiān)固地基去支承。至于將支承地基設(shè)置于哪一個(gè)地層中，是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的非常重要問題。另一方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)體基礎(chǔ)的下沉量不均勻，且因位置不同下沉量出現(xiàn)差異時(shí)，就稱不均勻下沉。若發(fā)生不均勻下沉?xí)r，結(jié)構(gòu)體就會(huì)傾斜，或在結(jié)構(gòu)體重發(fā)生龜裂。  3 抗震設(shè)計(jì)  地震是難以預(yù)測(cè)以及精確計(jì)算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的堅(jiān)固度，以及建筑物固有的周期而異。地震作用的大小被評(píng)估為靜態(tài)的水平力，通常都會(huì)隨著建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就會(huì)變小。對(duì)于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，會(huì)與其剛度成正比。  3.1施加于建筑物的地震作用  由震源傳來的地震波，當(dāng)?shù)乇砀浇牡鼗杰浫鯐r(shí)就越會(huì)增強(qiáng)，而且隨著建筑物增高及固有周期變長(zhǎng)時(shí)，搖動(dòng)的力就變小，而且越到建筑物的上方樓層，搖動(dòng)的力(加速度)就有變大的傾向?；谶@些因素的考慮，定出施加于建筑物的地震作用，這被當(dāng)作施加于建筑物各樓層的水平力來評(píng)估。  3.2抗震因素的配置  毫無疑問，建筑物會(huì)從各方向承受地震作用，如果將整體建筑物當(dāng)作是二維框架的集合體去考慮力的傳遞就容易使人理解。與地震作用的水平方向平行的框架負(fù)擔(dān)著水平力，各層柱子與抗震墻等則按剛度比例負(fù)擔(dān)地震作用。  3.3構(gòu)架的變形抵抗  對(duì)結(jié)構(gòu)體施加水平力時(shí)，若超過其支承的彈性限度，變形就會(huì)急遽地增加，達(dá)到最大強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于頻度高的地震，通常都停留在支承力的彈性極限以下，大地震時(shí)則不要超過其最大強(qiáng)度。  3.4構(gòu)件的強(qiáng)度與韌性關(guān)系  強(qiáng)度大的抗震因素不需要韌性。墻壁與斜撐的韌性較小，框架構(gòu)架的韌性較大。  3.5抗震因素平面上的平衡  抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用時(shí)容易產(chǎn)生伴隨扭力回轉(zhuǎn)的變形，剛性弱的部分就會(huì)產(chǎn)生很大的變形，使該部分的破壞有增大之虞。由于地震作用是屬于慣性力，因此力的作用中心要與重心一致。所謂的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心與抗震因素之剛度的中心(被稱作剛心)必須一致。即使平面上的剛性(框架的剛度)一致的建筑物，當(dāng)它向后退縮時(shí)，由于下方樓層的重心會(huì)從中心偏離，將會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。此外，如抗震墻與鋼骨框架之類的剛度大的抗震因素呈偏心配置的建筑物，就容易產(chǎn)生失穩(wěn)。  3.6抗震因素之剖面上的平衡  當(dāng)抗震因素的剛度在上下方向不均勻，且硬樓層部與軟樓層部混合在一起時(shí)，地震作用就會(huì)集中于軟樓層部，使該樓層部分承受的力及變形變大，會(huì)有增大破壞之虞。尤其是二樓以上的部分墻壁多且一樓沒有墻壁的建筑物，稱作懸挑建筑物，有許多在地震時(shí)會(huì)發(fā)生一樓瓦解的破壞。建筑物由幾種構(gòu)架構(gòu)成，且各種構(gòu)架的上下方向能夠采取平衡時(shí)則很理想，而以各層之框架的剛度總和采取平衡亦可。  4 隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  一般的建筑物是由建筑物整體吸收地震動(dòng)的振動(dòng)能量。大地震時(shí)，會(huì)在大梁與柱子上發(fā)生損傷，并且有損壞建筑物功能之虞。另一方面，隔震結(jié)構(gòu)的建筑物則是在建筑物下方設(shè)置一種地震時(shí)比其他層產(chǎn)生更大水平變形的“隔震層”，使得上層建筑物不容易與地基共振，同時(shí)集中吸收振動(dòng)能量。由于振動(dòng)能量不容易傳遞到上方建筑物，于是就降低大地震時(shí)產(chǎn)生損傷的可能性。這不僅能保護(hù)建筑物使用者的生命，也能夠使功能的維持以及收藏物的保護(hù)變得可能，也可緩和地震時(shí)的恐怖感。隔震層采用即使發(fā)生50mm~60cm之水平變形也無妨的構(gòu)造。  4.1構(gòu)成隔震層的隔震構(gòu)件  （1）鉛制緩沖構(gòu)件：利用高純度的鉛材料的塑性變形而制成的鉛緩沖器。除此之外，尚有利用摩擦原理的緩沖器，利用油通過小孔時(shí)的阻抗而成的緩沖器，以及利用黏滯體的剪斷阻抗原理而制成的緩沖器等。  （2）疊層橡膠：為了支承上方的建筑物，以及為了避免與地基共振，需要垂直方向堅(jiān)硬，但水平方向柔軟的支座。疊層橡膠是將厚度數(shù)毫米的橡膠與鋼板交互重疊接合，施加熱與壓力，發(fā)揮橡膠特有的彈性，就能夠滿足這個(gè)條件。  （3）鋼制緩沖構(gòu)件：在隔震層吸收振動(dòng)能量，擔(dān)任衰減振動(dòng)的作用而制成的緩沖構(gòu)件。由于隔震層在水平方向產(chǎn)生很大的變形，因此根據(jù)變形狀況，采用將振動(dòng)能量消耗的機(jī)制方為合理。  鋼條緩沖構(gòu)件是利用鋼料的塑性變形。  4.2地震時(shí)建筑物搖動(dòng)的比較  （1）隔震結(jié)構(gòu)的建筑物：由于隔震層在水平方向極為柔軟，于是地震時(shí)的大部分變形都集中在隔震層上?？删徍蜕喜拷Y(jié)構(gòu)的搖動(dòng)，也不容易引起家具的傾倒及外墻的剝離，而且?guī)缀醪粫?huì)發(fā)生柱子與梁的損傷。適用于步行困難者利用的設(shè)施。  （2）一般的建筑物：一般的建筑物在地震時(shí)會(huì)將振動(dòng)傳遞到整個(gè)建筑物，于是家具就會(huì)傾倒、外墻剝離，而且柱子與梁也產(chǎn)生損傷，各個(gè)樓層發(fā)生幾乎相同程度的變形。  （3）部分樓層柔軟的建筑物：如一樓挑空、二樓以上墻壁多的建筑物，當(dāng)某一樓層比其他樓層柔軟時(shí)，地震時(shí)的變形就集中于柔軟的樓層，因此會(huì)有崩塌之虞。崩塌之樓層會(huì)出現(xiàn)極大的損害，縱然其他樓層的破壞較少，但是建筑物卻變得無法使用。  4.3隔震層的位置  根據(jù)建筑物的功能與結(jié)構(gòu)性質(zhì)去選擇隔震層的位置?；A(chǔ)的隔震需要基坑，但是其與非隔震層部分之間的銜接，采用最低限度，就能夠給建筑物整體帶來隔震的效果。中間隔震層的電梯與樓梯的連接困難，適用于地下樓層多的情況，或無法設(shè)置基坑的情況時(shí)，還有地震時(shí)上方樓層比特定樓層更容易振動(dòng)的構(gòu)造的情況時(shí)。這類情況之下，隔震構(gòu)件需要防火包覆。  4.4隔震構(gòu)件的能力與特性  大變形時(shí)的垂直支承能力：隔震構(gòu)件要求即使在大變形時(shí)也能夠確實(shí)支承建筑物的質(zhì)量。疊層橡膠需要設(shè)計(jì)成當(dāng)最大變形發(fā)生時(shí)重疊部分不得小于直徑1／2以下的尺寸。采用直徑小的疊層橡膠時(shí)，必須采用在大變形時(shí)可支承建筑物之質(zhì)量的構(gòu)造。  5 結(jié)束語  目前，建筑業(yè)發(fā)展迅速，高層建筑也不斷增加，對(duì)建筑的抗震設(shè)計(jì)的要求越來越高。建筑的抗震設(shè)計(jì)方案要根據(jù)建筑物體型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載性質(zhì)和地質(zhì)條件等綜合分析。  參考文獻(xiàn)  [1] 吳炳 傅承誠，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的討論[j]科技與生活，2011.08