當(dāng)代高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析

　　關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震分析；抗震設(shè)計(jì)；位移延性系數(shù)；地震反應(yīng)。

　　1、引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們更加注重建筑的美觀，業(yè)主也越來(lái)越多地追求體型復(fù)雜的建筑，現(xiàn)在大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，往往形成結(jié)構(gòu)規(guī)范所規(guī)定的不規(guī)則建筑(包括平面布置、豎向布置)，因此復(fù)雜化結(jié)構(gòu)體型，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)特別是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，而正確處理好如下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求，是做好高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵。

　　2、對(duì)于高層建筑抗震設(shè)計(jì)思想

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑抗震進(jìn)行了大量的研究，抗震設(shè)計(jì)理念也有多種，但是現(xiàn)在比較常用的主要有，概念設(shè)計(jì)和基于位移的抗震設(shè)計(jì)。

　　1、概念設(shè)計(jì)

　　概念設(shè)計(jì)是相對(duì)于數(shù)值設(shè)計(jì)而言著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，可以理解為運(yùn)用人的思維和判斷能力，從宏觀上決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題。抗震概念設(shè)計(jì)是根據(jù)地震震害和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)總體布置并確定基本抗震措施的。

　　高層建筑形狀力求規(guī)則和簡(jiǎn)單、建筑結(jié)構(gòu)盡量對(duì)稱(chēng)、設(shè)置防震縫及盡可能滿足建筑豎向均勻性。前三種易于理解，以下就著重介紹建筑豎向均勻性問(wèn)題。均勻性問(wèn)題存在于建筑的豎向布置中，無(wú)論是幾何圖形還是樓層剛度變化，其規(guī)則勻稱(chēng)應(yīng)該是立面設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的。不均勻布置會(huì)產(chǎn)生了剛度、強(qiáng)度的突變，引起豎向的應(yīng)力集中或變形集中，以致在中小型地震中損壞，在大震時(shí)倒塌。但是，要使結(jié)構(gòu)做到完全均勻性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中也有一定的困難。結(jié)合工程實(shí)際，其均勻性問(wèn)題主要表現(xiàn)如下：

　　(1)填充墻設(shè)置的影響。框架內(nèi)的填充墻若設(shè)置不當(dāng)，地震時(shí)往往會(huì)改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)而產(chǎn)生不利影響。例如，由于填充墻設(shè)置不當(dāng)，可使框架柱形成短柱而造成破壞。為此，應(yīng)把墻同柱分開(kāi)或采用輕質(zhì)墻以使框架柱連續(xù)。

　　(2)抗震墻不連續(xù)。由于建筑上的需要，可能出現(xiàn)上下不連續(xù)的抗震墻，這就產(chǎn)生了不均勻性。為此，應(yīng)考慮限制上下層的剛度以及連續(xù)抗震墻的間距。

　　(3)同一層間的柱子剛度不同。建筑上由于空間需要或由于藝術(shù)構(gòu)思，使得同一層間柱子的剛度差異較大，通常在剛性較大的柱子上產(chǎn)生較大的內(nèi)力。為此，宜從抗震的角度重新安排結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以使剛度盡量均衡。

　　(4)柔性層框架。建筑上往往因底層需要開(kāi)敞或任意層需要大的空間，使結(jié)構(gòu)處于上下不連續(xù)狀況，產(chǎn)生豎向剛度突變，特別是柔性底層建筑，在歷次大地震中，震害都很普遍甚至完全倒塌。分析研究表明，這類(lèi)構(gòu)件的應(yīng)力和變形集中是非常嚴(yán)重的，所以在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求避免，底層應(yīng)盡可能配置具有相當(dāng)強(qiáng)韌性的構(gòu)件以承受大的側(cè)移。豎向收進(jìn)問(wèn)題。豎向收進(jìn)是常見(jiàn)的建筑處理方式，結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的問(wèn)題是在凹角處應(yīng)力集中。由于房屋的不同部分其振動(dòng)特征不同，所以在收進(jìn)處的橫隔(樓蓋或屋面板)產(chǎn)生應(yīng)力突變，為此在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮幾種處理方法：限制收進(jìn)尺寸，當(dāng)設(shè)置防震縫有利時(shí)，可設(shè)縫把復(fù)雜的體型劃分成若干簡(jiǎn)單、規(guī)則的獨(dú)立單元，分割后的建筑體型應(yīng)是均衡的，不致過(guò)分細(xì)高；不設(shè)縫時(shí)應(yīng)進(jìn)行較細(xì)致的空間動(dòng)力分析；對(duì)剛度突變的構(gòu)件采取加強(qiáng)措施。

　　2、基于位移的抗震設(shè)計(jì)

　　基于位移的抗震設(shè)計(jì)是一種以變形位移、層間側(cè)移角為性能指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的設(shè)計(jì)。在這種方法中，位移是已知的給定輸入量，而強(qiáng)度和剛度則是設(shè)計(jì)的輸出結(jié)果�；�于位移的抗震設(shè)計(jì)方法目前大致有：

　�。�1）按延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法

　　延性系數(shù)法是利用的延性和要求的延性對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的需求延性，即目標(biāo)延性的計(jì)算方法，將延性需求和可利用的延性作對(duì)比，以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能并用于考慮扭轉(zhuǎn)影響的延性結(jié)構(gòu)基于位移的設(shè)計(jì)，衡量延性的量化設(shè)計(jì)指標(biāo)最常用的是曲率延性系數(shù)和位移延性系數(shù)、二者的定義為截面構(gòu)件屈服后的曲率位移與屈服曲率位移之比，而設(shè)計(jì)中一般關(guān)心的是最大曲率位移延性系數(shù)。

　　表示塑性鉸區(qū)截面的極限曲率和屈服曲率和表示延性構(gòu)件的極限位移和屈服位移。按延性系數(shù)設(shè)計(jì)的方法實(shí)際上是通過(guò)建立構(gòu)件的位移延性系數(shù)或截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，由約束箍筋來(lái)保證核心混凝土能夠達(dá)到所要求的極限壓應(yīng)變，從而使得構(gòu)件具有要求的延性系數(shù)。

　　3、不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)（分平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則），應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施

　　1、平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并應(yīng)符合下列要求：

　�。�1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時(shí)（位移比超過(guò)了1.2倍的限值），應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍。

　　（2）當(dāng)樓板凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)，或當(dāng)樓板過(guò)于狹長(zhǎng)、平面內(nèi)變形明顯時(shí)，應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型（如彈性樓板或局部彈性樓板），當(dāng)平面不對(duì)稱(chēng)時(shí)尚應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響�？拐饦�(gòu)造措施：當(dāng)中央部分樓板有較大削弱時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)樓板以及連接墻體的構(gòu)造措施，必要時(shí)可在外伸凹槽處設(shè)置連接梁或連接板。

　　2．平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，當(dāng)層剛度比不能滿足規(guī)范要求時(shí)（即該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進(jìn)的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%），說(shuō)明結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則。此時(shí)，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析，并應(yīng)符合下列要求：

　�。�1）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時(shí)即豎向抗側(cè)力構(gòu)件(柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（梁、桁架)向下傳遞，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)乘以1.25～1.5的增大系數(shù)；

　�。�2）樓層承載力突變時(shí)（即抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的80%），薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%。

　　3．平面不規(guī)則且豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時(shí)符合上述1、2款的要求。

　　4、提高短柱抗震性能的應(yīng)對(duì)措施

　　有抗震設(shè)防要求的高層建筑除應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求外，還要滿足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大，所以對(duì)于高層建筑的底層柱，隨著建筑物高度的增加，其所承擔(dān)的軸力不斷增加，而抗震設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求，在層高一定的情況下，提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內(nèi)而不能過(guò)大，這樣則必然導(dǎo)致柱截面的增大，從而形成短柱，甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒(méi)有延性，在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。

　　混凝土短柱的延性主要受軸壓比的影響，同時(shí)配箍率、箍筋的形式對(duì)混凝土短柱的影響也很大。高層混凝土結(jié)構(gòu)短柱，特別是結(jié)構(gòu)低層的混凝土短柱，其軸壓比很大，破壞時(shí)呈脆性破壞，其塑性變形能力很小。提高混凝土短柱的抗震性能，主要也就是提高混凝土短柱的延性。因此，可以從以下幾方面著手，采取措施提高混凝土的抗震性能。

　　1、提高短柱的受壓承載力

　　提高短柱的受壓承載力可減小柱截面、提高剪跨比，從而改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。減小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，即采用高強(qiáng)混凝土來(lái)增加柱子的受壓承載力，降低其軸壓比；但由于高強(qiáng)混凝土材料本身的延性較差，采用時(shí)須慎重或與其他措施配合使用。此外，可以采用鋼骨和鋼管混凝土柱以提高短柱的受壓承載力。

　　2、采用鋼管混凝土柱

　　鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式，由混凝土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料。由于鋼管內(nèi)的混凝土受到鋼管的側(cè)向約束，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變得到很大的提高，混凝土特別是高強(qiáng)混凝土的延性得到顯著改善。同時(shí)，鋼管既是縱筋，又是橫向箍筋，其管徑與管壁厚度的比值至少都在90以下，相當(dāng)于配筋率2至少都在4.6%。

　　當(dāng)選用了高強(qiáng)混凝土和合適的套箍指標(biāo)后，柱子的承載力可大幅度提高，通常柱截面可比普通鋼筋混凝土柱減小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。

　　5、總結(jié)

　　結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方案要根據(jù)建筑使用功能、房屋高度、地理環(huán)境、施工技術(shù)條件和材料供應(yīng)情況、有無(wú)抗震設(shè)防來(lái)選擇合理的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。注意風(fēng)荷載、地震作用及豎向荷載的傳遞途徑。把握結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)制和過(guò)程，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。把握建筑結(jié)構(gòu)的整體性、承載力和剛度在平面內(nèi)及沿高度均勻分布，避免突變和應(yīng)力集中。注意非結(jié)構(gòu)件對(duì)主體結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生的有利和不利影響，要協(xié)調(diào)布置，并保證與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的可靠性。

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