我國高層建筑抗震結構設計初探

王麗霖

我國高層建筑抗震結構設計初探

王麗霖

闡述了我國高層建筑的發展情況,通過對建筑抗震進行理論分析,進而探索了高層建筑抗震設計理念及方法,并提出了抗震措施,以達到改善建筑物抗震性能的目的。

高層建筑,結構設計,抗震性能

地震作用影響因素極為復雜,它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用,目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法,要進行精確的抗震計算還有一定的困難,因此高層建筑抗震安全問題必須引起建筑師們的高度重視,及時采取有效措施,防患于未然。

1 我國高層建筑發展概況

20世紀 80年代,是我國高層建筑在設計計算及施工技術各方面迅速發展的階段。各大中城市普遍興建高層或超高層以鋼筋為主的建筑,建筑層數和高度不斷增加,功能和類型越來越復雜,結構體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有深圳發展中心大廈 43層高165.3m,加上天線的高度共 185.3m,這是我國第一幢大型高層鋼結構建筑。進入 90年代我國高層建筑結構的設計與施工技術進入了新的階段,不僅結構體系及建筑材料出現多樣化,而且在高度上長幅很大有一個飛躍。東方明珠廣播電視塔,坐落在中國上海浦東新區陸家嘴,毗鄰黃浦江,與外灘隔江相望。建筑動工于 1991年,于 1994年竣工,投資總額達 8.3億元。高 467.9m,亞洲第一,世界第三高塔。

2 建筑抗震的理論分析

建筑結構抗震規范實際上是各國建筑抗震經驗帶有權威性的總結,是指導建筑抗震設計的法定性文件。它既反映了各個國家經濟與建設的時代水平,又反映了各個國家的具體抗震實踐經驗。它雖然受抗震有關科學理論的引導,向技術經濟合理性的方向發展,但它更要有堅定的工程實踐基礎,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點冒險和不實。

其中動力理論是 20世紀 70年代～80年代廣為應用的地震動力理論。它的發展除了基于 60年代以來電子計算機技術和試驗技術外,人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解,同時隨著強震觀測臺站的不斷增多,各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多。進一步動力理論也稱地震時程分析理論,它把地震作為一個時間過程,選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入,建筑物簡化為多自由度體系,計算得到每一時刻建筑物的地震反應,從而完成抗震設計工作。

3 高層建筑結構抗震設計的基本內容

3.1 應重視建筑結構的規則性

建筑設計應符合抗震概念設計的要求,不應采用嚴重不規則的設計方案。合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的,提倡平、立面簡單對稱。因為震害表明,對稱建筑在地震時較不容易破壞,容易估計出其地震反應,宜于采取相應的抗震構造措施和進行細部處理。

3.2 抗震概念設計應堅持的原則

3.2.1 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。

3.2.2 盡可能設置多道抗震防線

1)一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成,并由延性較好的結構構件連接協同工作。例如框架—剪力墻結構由延性框架和剪力墻兩個分體組成,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,則在第一次破壞后再遭余震,將會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,避免大震時倒塌。3)適當處理結構構件的強弱關系,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。

3.3 抗震措施

有抗震設防要求的高層建筑除應滿足強度、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,所以對于高層建筑的底層柱,隨著建筑物高度的增加,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,很容易發生剪切破壞而造成結構破壞甚至倒塌。

3.3.1 使用復合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力是應該滿足剪壓比限值和“強剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應該滿足“強柱弱梁”要求的。對于短柱,只要符合“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發生剪切型破壞的。因此,使用復合螺旋箍筋來提高柱子的抗剪承載力,改善對混凝土的約束作用,能夠達到改善短柱抗震性能的目的。

3.3.2 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。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各柱肢組成的分體柱,分體柱的各柱肢分開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、素混凝土連接鍵等形式。

對分體柱工作性態的理論分析和試驗研究表明：采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態由剪切型轉化為彎曲型,從而實現了短柱變“長柱”的設想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比入蕊的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實際工程中得到應用。3.3.3 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。

4 結語

現階段,我國高層建筑的抗震設防仍然處在摸索階段,盡管通過實踐積累了一些經驗,但建筑抗震分析在概念上還需進一步完善,如果可以在結構與地基的材料特性,動力響應,計算理論,穩定標準等方面得到符合實際的發展,自然會在建筑結構抗震領域內起到重要的作用。

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[4]呂西林.超限高層建筑工程抗震設計指南[M].上海：同濟大學出版社,2009.

Initial discussion on the anti-seism ic structure design for domestic high-rise building

WANG Li-lin

This paper expounds the development condition of domestic high-rise buildings,by theoretically analyzing anti-seismic of architectures,further explores the anti-seism ic design concept andmethods of high-rise building,and points out the anti-seismic measures,so as to achieve the goal of improving the anti-earthquake performance of buildings.

high-rise building,structural design,anti-seismic performance

TU973.31

A

1009-6825(2011)03-0040-02

2010-09-28

王麗霖(1984-),女,助教,信陽農業高等?？茖W校管理系,河南信陽 464000