淺談高層建筑抗震設計措施
為了減輕地震所造成的損害，高層建筑的抗震能力必須得到有效的提高，那么，高層建筑抗震設計措施是?
摘要：隨著(zhù)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市不斷壯大，促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。但我國人口眾多，城市用地不足，高層建筑逐漸成為了城市建設的主導。高層建筑的抗震設計是設計者需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問(wèn)題。和其他自然災害不一樣，地震是很難做到提前預防。到目前為止，在世界范圍內，地震的預測是公認的難題。高層建筑的抗震設計已經(jīng)成為了業(yè)內人士急需要解決的問(wèn)題。文章通過(guò)對高層建筑抗震性能的理論研究，提出了在前期施工和設計時(shí)所需要注意的問(wèn)題，并給出了具體的防范措施，希望能得到同行的認可和指教，切實(shí)可行的落實(shí)到設計修建當中。
關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震設計;形體;構件布置
為了減輕地震所造成的損害，高層建筑的抗震能力必須得到有效的提高。但由于地震發(fā)生的突然性以及不確定性，因此在高層建筑的抗震設計不能只依賴(lài)理論的計算，更多的應該結合以往災害發(fā)生的原因和前人總結的抗震理念。以此實(shí)現小震不壞、中震可修、大震不倒的基本理念，盡可能的降低地震所造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，給廣大人民群眾一個(gè)舒心的生活環(huán)境。
1我國地震的特點(diǎn)
基于構造地震的活動(dòng)特點(diǎn)，和特殊的自然條件和地形、社會(huì )條件以及歷史因素，我國的地震災害主要有以下特點(diǎn)：①地震的頻率較高。我國地處世界兩大地震帶-環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，有非常明顯的地震活動(dòng)性，光記錄在案七級以上的地震就有十多起，5級以下的地震一年發(fā)生上千起;②災情較為嚴重。我國大陸的地震震源一般都比較淺，大都在地殼內部10～25km，破壞力可想而知。超過(guò)五級的地震，在我國就會(huì )造成大量的房屋倒塌和人員的傷亡;③伴有很?chē)乐氐拇紊鸀暮�。我國地勢西高東低，呈階梯狀分布，地勢復雜多樣，丘陵、山地、平原、盆地、高原均有分布。地震的直接災害，常常會(huì )引起火災、水災、滑坡、泥石流、臺風(fēng)、海嘯，由于震后人員的安置比較集中，密度較大，加之震后醫療設備的不齊全，衛生環(huán)境跟不上，很容易導致大規模疫情的傳播，給人們身體和心理上造成多重的傷害，遠比地震的直接損害要更為嚴重;④成災面積廣，地震波及范圍大，發(fā)生一次規模較大的地震，它有可能波及震中周?chē)鷰装倩蛘呱锨Ч镏畠鹊牡亟�。如我�?008年5月12號發(fā)生的汶川地震，除了黑龍江和遼寧，其他省份均有明顯的震感，最遠波及到了3000km之外的曼谷，可想而知它的威力之大、范圍之廣;⑤地震災害呈一定的周期，目前我國處于地震高發(fā)時(shí)期，可能會(huì )維持到下個(gè)世紀初，因此一定要提前做好預防，加強建筑的抗震能力。
2建筑形體及構件布置的規則性對高層抗震的影響
2.1平面不規則
平面不規則的類(lèi)型主要分為扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續�！兑幏丁芬幎ǎ航ㄖ捌淇箓攘Y構平面布置宜規則、對稱(chēng)并具有良好的整體性。層間的布置、劃分屬于建筑平面的布置。內墻結構的布置、可活動(dòng)的空間面積、樓梯與通道的布置位置、竹子間的距離大小、樓層間的變化布置等。如果在建筑平面時(shí)，墻體不對稱(chēng)布置，柱子與墻體不協(xié)調、不對稱(chēng)分布，在平面上將會(huì )造成建筑結構質(zhì)量與剛度不協(xié)調、不對稱(chēng)分布，在地震時(shí)使建筑物發(fā)生扭轉地震作用。有的建筑物的電梯井筒的剛度很大，卻被布置在建筑平面的一側或角部，發(fā)生地震時(shí)，使得靠電梯井筒一側建筑物破壞嚴重，這是由于地震作用的主要部分被電梯井筒很大的抗側力剛度吸引了，此典型震害的一例就是1972年的南美洲那瓜高十五層的中央銀行大廈。因為部分建筑物在布置平面時(shí)一側墻少，一側墻多，內隔墻中斷或不對稱(chēng)，所以在地震發(fā)生時(shí)，地震力傳遞受阻和剛度發(fā)生突變等，這些都表明平面布置影響結構抗震很明顯。
2.2豎向不規則
豎向不規則的類(lèi)型分為側向剛度不規則、豎向抗側力構建不連續、樓層承載力突變�！兑幏丁芬幎ǎ航ㄖ呢Q向剖面宜規則，豎向抗側力構建的材料強度和截面尺寸宜自上而下逐漸增大，防止抗側力結構的側向剛度和承載力突變。根據《規范》的要求對建筑的的突變限度和高度進(jìn)行限制，避免產(chǎn)生豎向不規則類(lèi)型，使豎向分布剛度和質(zhì)量比較均勻，防止產(chǎn)生突變，避免產(chǎn)生薄弱和扭轉。
3框剪結構中剪力墻受力特征
框剪結構中能夠影響結構剛度的因素有很多，諸如剪力墻的界面尺寸、數量、位置以及它自身的形狀等，其中對結構剛度影響最深的是剛度理論。在框剪結構中，結構的剛度和剛度分布是由剪力墻布置的位置和數量決定的�！陡邔右幊獭穼⒏邔咏ㄖ譃閮杉�，即高層建筑(A級)，超限高層建筑(B級)，對應于不同的抗震設計等級，不同結構有不同的適用高度�？蚣艚Y構中，發(fā)揮最大作用的是剪力墻。剪力墻是抗側力構件，采用這種結構時(shí)應在兩個(gè)主軸外側布置剪力墻，從而形成雙向側力體系�？蚣芙Y構體系是利用梁柱組成的縱橫兩個(gè)方向的框架形成的結構體系。它同時(shí)承受豎向荷載和水平荷載。其主要優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可形成較大的建筑空間，建筑立面處理比較方便。主要缺點(diǎn)是是橫向剛度小，當層數較多時(shí)，會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的側移，易引起非結構性構件(如隔墻，裝飾等)破壞進(jìn)而影響使用。在非地震區，框架結構一般不超過(guò)15層�？蚣芙Y構的內力分析通常是用計算機進(jìn)行精確分析�？蚣芗袅Y構也稱(chēng)框剪結構，這種結構是在框架結構中布置一定數量的剪力墻，構成靈活自由的使用空間，滿(mǎn)足不同建筑功能的要求，同時(shí)又有足夠的剪力墻，有相當大的側向剛度(剪力墻的側向剛度大就是指在水平荷載(風(fēng)荷載和水平地震力)的作用下抵抗變形能力強)�？蚣芙Y構的缺點(diǎn)是側向剛度小，當層次較多時(shí)，全產(chǎn)生過(guò)大的側移，易引起非結構性構件破壞而影響使用，但它具有平面布局靈活，可形成較大建筑空間的優(yōu)點(diǎn)，為了保留這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又提高其側向剛度，便產(chǎn)生了框架剪力墻結構。這個(gè)結構主要特點(diǎn)是在保留框架結構優(yōu)點(diǎn)的基礎上由于增設了抵抗剪力的剪力墻，從而地增加了其側身剛度，在這個(gè)結構體系中剪力墻承擔了80%的以上的水平荷載，而其中的框架僅承擔了約20%，這與框架結構中不管什么方向的荷載均由框架全部承擔的情況是不同的。當建筑高度、設防烈度、建筑重要性類(lèi)別、基底類(lèi)別等均相同的情況下，對框架結構中的框架要求要比框剪結構中框架的要求等級要高得多�？蚣芙Y構的特點(diǎn)：建筑平面布置靈活，外墻立面設計也較為靈活，其變形特點(diǎn)為剪切變形和彎曲變形組合起來(lái)的剪切型變形，框架結構構件類(lèi)型少，易于標準化，定型化，在材料變形性能良好的時(shí)候，可以建造到30層，一般情況下15～20層為好。剪力墻結構的特點(diǎn)：整體性能好，剛度大，在水平作用下側向變形小，承載力要求也比較容易滿(mǎn)足，其側向變形為彎曲型，但是由于剪力墻的間距不能過(guò)大，所以其平面布置不夠靈活。為了克服其缺點(diǎn)，會(huì )使用框支剪力墻結構，跳層剪力墻結構。
4高寬比對結構的整體抗震及經(jīng)濟指標的影響
4.1整體抗震
所謂建筑結構的動(dòng)力作用就是地震作用，這不僅與地震強烈程度有關(guān)，而且很大的關(guān)系在于其本身的動(dòng)力特性，剪重比和基底剪力是衡量結構地震反應的兩個(gè)常用指標。高規推薦的高寬比是以6為界限，取高寬比以6的基底剪力為參考值的兩種結構，得出結構基地剪力在高寬比變化時(shí)，相對高寬比為6時(shí)的相對值(見(jiàn)圖1)。高寬比在增大時(shí)，結構基底剪力大約呈線(xiàn)性增大，結構受的地震力隨高度增大成比例增大，且剪力端結構增長(cháng)速度比較快。結構重力載荷和水平地震作用之比在逐步增大，起初，下滑成都比較快，隨后變化就較穩定，顯示了在結構周期加長(cháng)時(shí)，結構更柔，地震反應減小的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。
4.2經(jīng)濟指標
若僅從結構安全角度看，目前高規中在實(shí)際設計工作中可以放寬高寬比限制。根據以往的工程經(jīng)驗，當建筑高度增加時(shí)會(huì )出現兩方面的變化。一方面，高寬比比較大時(shí)，結構側移將會(huì )隨之發(fā)生變化，呈正向關(guān)系增大，與此同時(shí)，抗傾覆能力和整體穩定性則會(huì )受到負面影響，呈現下降趨勢;另一方面，水平荷載將會(huì )短時(shí)間出現變化，迅速增大。在水平荷載作用時(shí)，建筑頂部位移同傾覆力矩呈現正相關(guān)。具體而言，建筑物頂部位移越大，傾覆力矩越大，反之亦然，高度四次方成正比，同寬度成反比。為了使結構剛度、抗傾覆能力和穩定性足夠，需要增大結構構件的尺寸，材料用量也會(huì )隨之增大，結構經(jīng)濟性更差。
5提高高層建筑抗震性能的具體措施
在高層建筑的建造中，不僅要滿(mǎn)足材料的強度、硬度等要求，還應使其具有較好的延展性，并在指定的部位具有屈服區域。具體分為以下方面：①提高高層建筑地基的穩定性和其短柱的抗壓能力。提高剪跨比，從而減小短柱的截面積，提高抗震性能。其主要方法是采用等級較高的混凝土材料并與其他可提高材料延展性的方法相結合，運用于實(shí)際施工中，提高抗震性能;②采用性能更為優(yōu)良的混凝土-鋼管混凝土柱來(lái)做建筑的整體結構，有于鋼管內部的混凝土一直處于受壓狀態(tài)，其相對應的壓應變及抗壓強度都得到了很大的提升，解決一般混凝土延展性不好的問(wèn)題;③設計之初要進(jìn)行全面的分析。高層建筑結構的模型在建設前能適當的進(jìn)行簡(jiǎn)化，但是其整體受力和關(guān)鍵部位的受力是絕對要在模型上體現出來(lái)的，構件的參數及恢復力模型的選擇，應該符合我國結構構件的主要性能和結構特點(diǎn)，不能一味的抄襲已有的外國行業(yè)參數。根據地震等級的不同來(lái)選擇與之相對應的彈塑性狀態(tài)，要從結構的位移、承載力、抗壓力、屈服度、阻尼比等數據進(jìn)行全面的分析和討論，正確的運用到實(shí)際的施工中去。
6結束語(yǔ)
隨著(zhù)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市建設日益繁榮，越來(lái)越多的高樓大廈拔地而起，給人們帶來(lái)便利和美的享受的同時(shí)，建筑行業(yè)更應該關(guān)注的是高層建筑的抗震性能。自然災害的發(fā)生總是那么的殘酷無(wú)情而且毫無(wú)征兆。要想更好的建設國家，就必須做到提前預防，在建筑本身做文章，提高其抗震性能和應對各種自然災害的能力。只有這樣才能讓人們在面對強大的天災面前有足夠的反應時(shí)間，才能真正的享受城市所帶來(lái)的便利。
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