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試談高層建筑結構抗震設計理念及方法

作者：謝磊    
時(shí)間：2010-04-21 15:03:19 [收藏]
　摘 要：高層建筑抗震工作一直建筑設計和施工的重點(diǎn)，概述高層建筑的發(fā)展，對建筑抗震進(jìn)行必要的理論分析，從而來(lái)探索高層建筑的設計理念、方法，從而采取必需的抗震措施。 　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結構設計；抗震 （貴州大學(xué) 明德學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550004） 　　　
    關(guān)鍵詞：
    　　結構工程師按抗震設計要求進(jìn)行結構分析與設計，其目標是希望使所設計的結構在強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，從而經(jīng)濟地實(shí)現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一種隨機性很強的循環(huán)、往復荷載，建筑物的地震破壞機理又十分復雜，存在著(zhù)許多模糊和不確定因素，在結構內力分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，計算方法還很不完善，單靠微觀(guān)的數學(xué)力學(xué)計算還很難使建筑結構在遭遇地震時(shí)真正確保具有良好的抗震能力。
    　　1 高層建筑抗震結構設計的基本原則
    　　1.1 結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能
    　　(1)結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點(diǎn)弱構件、強底層柱(墻)”的原則。(2)對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。(3)承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。
    　　1.2 盡可能設置多道抗震防線(xiàn)
    　　(1)一個(gè)抗震結構體系應由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協(xié)同工作。例如框架—剪力墻結構由延性框架和剪力墻兩個(gè)分體組成，雙肢或多肢剪力墻體系組成。(2)強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線(xiàn)，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì )因損傷積累導致倒塌?？拐鸾Y構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。(3)適當處理結構構件的強弱關(guān)系，同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長(cháng)階段，保證結構的延性和抗倒塌能力。(4)在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的其他部位相對薄弱，因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大帶小，改變抗側力構件配筋的做法，都需要慎重考慮。
    　　1.3 對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力
    　　(1)構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。(2)要使樓層(部位)的實(shí)際承載能力和設計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個(gè)相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的比值有突變時(shí)，會(huì )由于塑性?xún)攘χ胤植紝е滤苄宰冃蔚募小?3)要防止在局部上加強而忽視了整個(gè)結構各部位剛度、承載力的協(xié)調。(4)在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。
    　　2 提高短柱抗震性能的應對措施
    　　有抗震設防要求的高層建筑除應滿(mǎn)足強度、剛度要求外，還要滿(mǎn)足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大，所以對于高層建筑的底層柱，隨著(zhù)建筑物高度的增加，其所承擔的軸力不斷增加，而抗震設計對結構構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而不能過(guò)大，這樣則必然導致柱截面的增大，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，在建筑遭受本地區設防烈度或高于本地區設防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌。
    　　混凝土短柱的延性主要受軸壓比的影響，同時(shí)配箍率、箍筋的形式對混凝土短柱的影響也很大。高層混凝土結構短柱，特別是結構低層的混凝土短柱，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(zhù)手，采取措施提高混凝土的抗震性能。
    　　2.1 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)結構的抗震性能。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度等級，即采用高強混凝土來(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。
    　　2.2 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而形成的組合結構材料。由于鋼管內的混凝土受到鋼管的側向約束，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到很大的提高，混凝土特別是高強混凝土的延性得到顯著(zhù)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，相當于配筋率2至少都在4.6%。
    　　當選用了高強混凝土和合適的套箍指標后，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。
    　　2.3 采用分體柱
    　　由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強度，使抗彎強度相應于或略低于抗剪強度，這樣，在地震作用下，柱子將首先達到抗彎強度，從而呈現出延性的破壞狀態(tài)。分體柱方法已在實(shí)際工程中得到應用。人為削弱抗彎強度的方法，可以在柱中沿豎向設縫將短柱分為2或4個(gè)柱肢組成的分體柱，分體柱的各柱肢分開(kāi)配筋。在組成分體柱的柱肢之間可以設置一些連接鍵，以增強它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預制分隔板、預應力摩擦阻尼器、素砼連接鍵等形式。
    　　3 結束語(yǔ)
    　　現階段，土與結構物共同工作理論的研究與發(fā)展使建筑抗震分析在概念上進(jìn)一步走向完善，如果可以在結構與地基的材料特性，動(dòng)力響應，計算理論，穩定標準諸方面得到符合實(shí)際的發(fā)展，自然會(huì )在建筑結構抗震領(lǐng)域內起到重要的作用?！?br /> 　　參考文獻
    　　[1]朱鏡清.結構抗震分析原理[M].地震出版社，2002，11
    　　[2]徐宜，丁勇春.高層建筑結構抗震分析和設計的探討(J].江蘇建筑，2009
    　　[3]傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑I業(yè)出版社，1999
    　　[4]豐定國，王社良.抗震結構設計[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003
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