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1 高层建筑抗震设计常见的问题
在高层建筑的建设中,其中最主要的问题是对它的抗震问题的研究,其中又以中短柱问题为最主要的问题。现在首先介绍一下抗震设计中常见的一些问题。
1.1 缺乏岩土工程勘察资料或资料不全。有的在扩初设计阶段还缺建筑场地岩土工程的勘察资料,有的在扩初设计会审之后就直接进入了施工图设计,有的在规划设计或方案设计会审后就直接进入了施工图设计。无岩土工程勘察资料,设计缺少了必要的依据。
1.2 结构的平面布置。外形不规则、不对称、凹凸变化尺度大、形心质心偏心大,同一结构单元内,结构平面形状和刚度不均匀不对称,平面长度过长等。
1.3 一个结构单元内采用两种不同的结构受力体系。如一半采用砌体承重,而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框砖房中一半为底框,而另一半为砖墙落地承重[这种情况常发现在平面纵轴与街道轴线相交的住宅,其底层为商店,设计成一半为底框砖房(有的为二层底框),而另一半为砖墙落地自承,造成平面刚度和竖向刚度二者都产生突变,对抗震十分不利]。
1.4 底框砖房超高超层。如1996年,对在杭设计单位作的一次专题普查,发现有69幢底框砖房超高超层。新项目亦普遍存在此现象,1999年某地块住宅竣工交付使用验收中发现有三幢底框砖房超高超层,甚至有超三层的。
1.5 抗震设防标准掌握不当。有一些项目擅自提高了设防标准,按照《建筑抗震设防分类标准(GB 50223-95)》划分应属六度设防的,但设计中提高了一度按七度设防,提高了建筑抗震设防标准,将会增加工程投资;有的项目严格应按七度采取抗震措施的,但设计中又按六度设防,减低了抗震设防标准,不利抗震。
1.6 结构的竖向布置。在高层建筑中,竖向体型有过大的外挑和内收,立面收进部分的尺寸比值B1/B不满足≥0.75的要求。
1.7 抗震构造柱布置不当。如外墙转角处,大厅四角未设构造柱或构造柱不成对设置;以构造柱代替砖墙承重;山墙与纵墙交接处不设抗震构造柱;过多设置抗震构造柱等。
1.8 框架结构砌体填充墙抗震构造措施不到位。砌体外围护墙砌筑在框架柱外又没有设置抗震构造柱,框架间砌体填充墙高度长度超过规范规定要求又没有采取相应构造措施。
1.9 结构其他问题。有的底层无横向落地抗震墙,全部为框支或落地墙间距超长;有的仅北侧纵墙落地,南侧全为柱子,造成南北刚度不均;有的底层作汽车库,设计时横墙都落地,但纵墙不落地,变成了纵向框支;还有的底框和内框砌体住宅采用大空间灵活隔断设计,其中几乎很少有纵墙。不少地方都采用钢筋混凝土内柱来承重以代替砖墙承重,实际上将砖混结构演变为内框架结构,这比底框砖房还不利,因内框砖房的层数、总高度控制比底框砖房更严,因此存在着严重抗震隐患。更为严重的是这种情况并未引起目前大多数结构工程师的重视。
1.10 平面布局的刚度不均。抗震设计要求建筑的平、立面布置宜规正、对称,建筑的质量分布和刚度变化宜均匀,否则应考虑其不利影响。但有的平面设计存在严重的不对称:一边进深大,一边进深小;一边设计大开间,一边为小房间;一边墙落地承重,一边又为柱承重。平面形状采用L、π形不规则平面等,造成了纵向刚度不均,而底层作为汽车库的住宅,一侧为进出车需要,取消全部外纵墙,另一侧不需进出车辆,因而墙直接落地,造成横向刚度不均。这些都对抗震极为不利。
1.11 防震缝设置。对于高层建筑存在下列三种情况时,宜设防震缝:①平面各项尺寸超过《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ 3-91)》中表2.2.3的限值而无加强措施;②房屋有较大错层;③各部分结构的刚度或荷载相差悬殊而又未采取有效措施;但有的竟未采取任何抗震措施又未设防震缝。
1.12 结构抗震等级掌握不准。有的提高了,而有的又降低了,主要是对场地土类型、结构类型、建筑高度、设防烈度等因素综合评定不准造成。
上述这些问题的存在,倘若不能得到改正,势必对建筑物的安全带来隐患。上述这些问题的存在,倘若不能得到改正,势必对建筑物的安全带来隐患。上述这些问题的原因是多方面的,有认识方面的原因有计划经济向市场经济转化过程中出现的原因,有设计人员忽视了抗震概念设计方面的原因(未能从整体、全局上把握好),有法律建设方面的原因(在工程抗震设防管理方面缺乏国家政府法律依据,特别是处罚方面),通过这些问题来研究中短柱的问题:
2 短柱的正确判定
柱净高H与截面高度h之比H/h≤4为短柱,工程界许多工程技术人员也都据此来判定短柱,这是一个值得注意的问题。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比λ,只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱,而柱净高与截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2,亦即不一定是短柱。按H/h≤4来判定的主要依据是:①λ=M/Vh≤2;②考虑到框架柱反弯点大都靠近柱中点,取M=0.5VH,则λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2,由此即得H/h≤4。但是,对于高层建筑,梁、柱线刚度比较小,特别是底部几层,由于受柱底嵌固的影响且梁对柱的约束弯矩较小,反弯点的高度会比柱高的一半高得多,甚至不出现反弯点,此时不宜按H/h≤4来判定短柱,而应按短柱的力学定义——剪跨比λ=M/Vh≤2来判定才是正确的。
引言
我国地域内所发生的地震,绝大部份属于这种“构造地震”的类型。由火山爆发所产生的“火山地震”或因岩洞崩塌、局部地面陷落所引起的地震,在我国很少发生。
许多国家在高层建筑的抗震设计方案中,已经出现了新的结构。如美国纽约的高层建筑物,建在于基础分离的98个橡胶弹簧上,日本的建在弧型钢条上防地震建筑物,明显的在建筑结构体型上,改变了传统的插入式刚箍捆住内力的结构体系。
在2010年12月1日施行的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)和2011年10月10日开始施行的《高层建筑混凝土结构技术基础》(JGJ 3-2010)是综合了各国高层建筑设计的成功经验,同时结合我国地震灾害的特点,对我国高层建筑设计提出了新的标准和要求。
世界抗震设计经验
1.美国抗震措施
美国是一个地震较多的国家,其西海岸重要城市洛杉矶正好处在环太平洋地震带上,而整个加州也是全球地震高发地区之一。高层建筑的抗震问题以及如何将地震带来的损失降到最低,一直是人们密切关注的问题。其中关于高层建筑的一些抗震措施。
(1)控制高层建筑的层高
在地震频发的洛衫矶市,除了市中心作为地标建筑的一些超高层建筑,其余地段均是多层低层建筑。尤其值得注意的是在土层薄弱和不利地段加州政府通过立法禁止建造高层建筑。对于高层建筑而言,地震力和风力是控制荷载,且都是水平作用力,层高过高,对建筑抗震和抗风都十分不利。控制在地震区域的建筑层高,是有效降低震害的手段之一。
(2)选用轻质建材
美国大部分地区均是低层建筑,且均是木结构,围护材料和隔墙也多采用石膏板、刨花板等轻质板材。采用轻质建材的建筑,在地震力作用下,自身结构受到更小的影响,且即使受到破坏,较轻的建材也能有效减轻造成的二次破坏。
(3)选用高强度高延性建材
美国另一重要的防震措施是在高层建采用钢结构,而低层建筑就采用木结构。钢材与木材都是高延性的材料,具有足够的柔度。在地震发生时,可以通过自身变形消耗掉地震能量,在抗震要求更高的超高层建筑中,则添加上阻尼减震器,也可以大大提高建筑的延性和抗震性能。
2.日本抗震措施
日本全岛都处在地震频发区域,每年都会发生约1000余次地震,在高层建筑防震抗震方面,有丰富的经验。
(1)提高建筑物的强度和刚度
日本的高层公寓很多,大部分的住户在购买公寓中都会特别看重抗震设计水平。号称日本第一高层公寓的大楼中,采用了与美国世贸大厦相同的钢管,其抗震性能主要来源于采用高强度高刚度的优质建材,确保了建筑物的抗争性能,也是公寓能得以畅销的重要原因
(2)选用橡胶材料加强延性
日本东京的一些超高层建筑都进行了严密的抗震设计,其中一个重要措施就是在建筑使用高强度的橡胶作为基底材料,同时在建筑中心也选用天然橡胶作为基层,提高了建筑物的抗震性能。
(3)“局部浮力”抗震系统
近年来日本新研制了“局部浮力”抗震系统,将建筑物的上层结构与基础部分分离开,采用这种“局部浮力”系统进行连接,借助水的浮力来加强建筑整体的延性,其工作原理大体上与阻尼减震系统和橡胶减震系统类似,但据报告有更好的抗震效果。
新增条款的意义分析
《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术基础》新增了若干条款,本文列出对抗震设计影响较大的条款进行分析。
1. 新增的通用条款
(1)抗震设计的高层建筑混凝土结构,当其房屋高度、规则性、结构类型、场地条件或抗震设防标准等有特殊要求时,可采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。
此条款明确了在高层建筑设计中,抗震设计的核心地位,高层建筑采用抗震性能设计已形成一种发展趋势。
(2)楼层质量沿高度宜均匀分布,楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5倍。
此条规定限定了荷载沿竖向的不规则分布,可有效地降低震害,明确了高层结构设计的标准。
(3)增加了结构抗连续倒塌设计基本要求。安全等级为一、二级时,应满足抗连续倒塌概念设计的要求。安全等级为一级且有特殊要求时,可采用拆除构件方法进行抗连续倒塌设计。
连续倒塌是指结构因突发事件或严重超载而造成局部结构破坏失效,继而引发与失效破坏构件相连的构件连续破坏,最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。在高层建筑抗震设计中,对上部结构进行连续性倒塌分析时,其首先要保证下部基础不会发生破坏,加强结构基础设计是整个设计工作的根本。
2.修订条款的意义分析
(1)明确将扭转位移比不规则判断的计算方法,改为“在规定的水平力作用下并考虑偶然偏心”,以避免位移按振型分解反应谱组合的结果,有时刚性楼盖边缘中部的位移大于角点位移的不合理现象。
(2)根据汶川地震的经验,提高了框架结构中框架柱的内力调整系数,而其他各类结构中框架柱的内力调整系数保持不变。
框架结构柱的最小截面尺寸,除不超过2层和四级外,比旧版增加100mm;柱纵向受力钢筋的最小总配筋率比一般框架增加0.1%、最大轴压比控制比旧版加严0.05。
(3)根据汶川震害调查,将防震缝的最小宽度由70mm提高到100mm。
相邻结构在地震过程中的碰撞是导致结构损坏甚至倒塌的主要原因之一。为防止建筑物在地震中相碰撞,防震缝必须留有足够的宽度。原则上防震缝净宽应大于两侧结构允许的地震水平位移之和。
结语
【关键词】高烈度;高层建筑;抗震设计
伴随着我国高层建筑的不断发展,建筑结构中常用的结构主要是型钢混凝土结构以及钢结构,这是做为建筑高抗震要求的首选结构材质。混合框架核心筒结构是由型钢框架、混凝土核心筒与伸臂桁架组成的一种具有多道抗震防线的高层结构体系。这种结构体系主要是由伸臂桁架构造加强层,不仅使结构传力路劲明确,并且利用了外框柱的轴向刚度来提高结构的整体抗侧刚度。
一、高烈度地区高层建筑结构抗震设计目标及原则
(1)高层建筑结构抗震设计目标
高层建筑进行结构分析以及设计,主要目标就是使设计的高层建筑结构在强度、稳定性、刚度、延展性以及耗能能力等方面达到最佳效果,最终实现:“小震不坏,中震可修,大震不倒”的目的。
(2)高层建筑结构抗震设计原则
1)结构材料以及体系的选择
高层建筑使用的材料应该具有材质轻、密度大以及强度高的特点,这样一来,构造的建筑才有连续性、整体性以及延展性,将建筑结构的整体强度发挥出来,最终提高防震的功效。
到目前为止,钢结构以及型钢混凝土结构在抗震方面有很强的作用,做为高层建筑抗震要求的首选结构材质,另外,其他的建筑结构也可以用于对抗震要求不高的高层建筑中,在选择结构材料以及体系时,应该坚持经济度比较高并且符合抗震性能的原则。
2)建筑结构的规则性
建筑结构的规则性对于抗震作用比较大,不规则的建筑结构不利于抗震。因为建筑结构具有规则以及对称的剖面结构,地震对建筑物带来的摇晃有一定的支撑作用,从而起到很好的抗震效果。从建筑竖向剖面理论来说,竖向抗侧力构建的截面尺寸以及材料强度应该自下而上的逐渐减少,这样就能够避免测力结构的承载力突变。因此,对于没有特殊要求的高层建筑物,应该尽量避免过于规则的结构组成,不能一味的追求其视觉效果,更多的注重抗震要求。当然,对于有特殊要求设计成不规则的高层建筑,在进行建筑结构的设计时,应该使用计算机进行模拟,近乎准确的模拟出结构与地震水平之间的作用,从而采取预防措施,相应的做出内力调整,最终提高整体的抗震能力。
3)多道防震体系
一般情况下,一次地震不会造成持续的震动,但是可能会造成接连不断的余震,尽管强度不大,但是从持续时间以及反复次数上来说,在一定程度上对建筑物造成不同程度的损坏。高层建筑物只是采取单体的结构,一旦遭遇到破坏时就会难以应付接踵而来的持续余震,最终导致建筑物坍塌。针对此种现象,就必须设立多道防震体系。设立多道防震体系,及时第一道防震线被摧毁,还有第二道以及第三道防震线,就能够很好的躲避反复的余震带来的破坏,大大的降低了危险指数,增加了抗震能力[1]。
二、高烈度地区高层建筑结构抗震设计及应注意的问题
1、控制结构超限现象以及相关的解决措施
高层建筑结构超限符合以下几个条件:①当房屋高度超过120.10米,超过《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定的钢筋混凝土部分框支剪力墙结构房屋最大使用高度A级最大高度100米,B级120米的限值;②标准层在水平地震考虑质量偶然偏心作用下,结构楼层的扭转位移比大于1.2,属于扭转不规则平面以及结构;③标准层楼存在凹凸不规则现象。
控制结构超限的措施:对于结构薄弱位置,在框架柱内设置芯柱,提高其承载力以及抗震安全性;控制结构扭转比,使结构楼层的扭转位移比小于1.2;对于个别框支墙柱按照中震弹性以及小震计算结果进行包络设计,满足中震弹性的抗震性能目标;依次类推,标准层的个别框支墙柱则按照中震计算结果,满足中震不屈服的抗震性能目标;根据弹塑性实程分析结果,连梁以及框架梁出现弯曲塑性铰,梁端塑性铰在各个楼层分布较为均匀,反应历程中最大层间位移角小于1/120,满足规范要求[2]。
2、超限高层建筑结构弹塑性分析
结构弹塑性分析主要是根据《建筑抗震设计规范》,采用美国CSI公司的Perform3D 软件进行弹性分析。该软件能够很好的体现基于性能的抗震设计理念,在软件中引进了美国基于性能的设计规范,对结构进行弹塑性状态下的地震性能做出准确评估。
高层建筑抗震性能设计指标,主要是对不同设防目标的建筑物采用不同的抗震要求,美国公司提出了一种结构性能水准分为三个等级以及两个范围,分别采用S-1到S-5来表示:S-1称之为“立即可用性能水准”, S-2称之为“破坏控制性能范围”, S-3称之为“生命安全性能水准”, S-4称之为“极限安全性能范围”, S-5称之为“防治倒塌性能水准”,因此,根据这种标准对结构抗震设计制定了较为详细的抗震性能目标,如下表1所示:
弹塑性的精力计算主要是采用静力退服分析方法,对三维结构模型施加X向以及Y向的侧向荷载,经过计算之后,在同一坐标体系中绘制出结构,在计算的结果中,结构在X向侧向荷载以及Y向侧向荷载作用力下,能力曲线与需求曲线都没有交点,并且能力曲线已经超越了最高点,呈现下降的趋势,在罕遇地震下变形计算,如下图4所示:
结构在加固之前,在中震以及罕遇地震下,X向以及Y向的地震波,框架柱以及框架上就会有大量的塑性铰产生。产生的塑性铰超过总数的55%,在整个结构中就会有大部分的构件进入到屈服状态下,在中震以及罕遇震下的建筑结构塑性铰的分布情况,如下图5所示:
3、抗震加固设计
对于高层建筑物的框架柱应该采用外包钢筋混凝土从而加大截面,并且适当的加大薄弱层柱以及跨层柱的主钢筋,增加钢筋网,对原来的框架梁以及作用设备荷载比较大,承载力不足的次梁应该采用高强度的钢铰线,最终提高抗震能力。使用此种方法,由于只是对框架柱进行抗震加固,以及增加了截面,因此,在加固之后,不会出现部分框架柱不屈服的现象,对主梁以及次梁进行抗震加固,能够使绝大部分的构件满足抗震要求。如下图6所示:
关键词:高层建筑;钢筋混凝土结构;结构设计;抗震;结构体系
中图分类号:TU375 文献标识码:A
一、高层建筑结构的特点
多层与高层建筑结构的相同点有:都是承担竖向荷载和水平荷载作用,设计原理和设计方法也是基本是相同的,不同点是在高层建筑中,需要用来抵抗外荷载(特别是水平荷载)的结构材料更多,因此高层建筑结构设计的主要问题就是抗侧力结构的设计,设计抗侧力结构时也就有更多要求了。实践证明在建筑物的高度越大,水平力作用下结构设计的优化程度对材料用量的影响也就越大,特别是在地震地区,地震作用给高层建筑带来的危害也要比多层建筑的危害大,因此,应该更加重视高层建筑结构的抗震设计。从结构特点看,凡是水平荷载起主要作用的建筑就可以认为进入了高层建筑结构的范畴了,水平荷载主要是地震作用和风荷载为主,在地震区基本上就是地震荷载起主控作用。
二、高层建筑结构抗震设计要素
1 正确选择合理的抗侧力结构体系
其实高层建筑结构设计的重中之重就是设计抗侧力结构。高层建筑基本的结构构件是梁、柱、支撑、墙和墙组合的筒,用这些构件可以组成高层建筑众多的抗侧力结构。
(1)框架结构:框架结构由梁、柱通过节点组成的结构单元,框架只能在自身平面内抵抗侧向力,必须在两个正交的主轴方向设计框架以抵抗各个方向的侧向力。抗震框架结构的梁柱不允许铰接,必须采用刚接,使梁端能传递弯矩,同时使结构具有良好的整体性和较大的刚度。抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。抗震设计时,若采用砌体填充墙,填充墙的布置应避免形成上、下层刚度变化过大,避免形成短柱,尽可能对称布置,以减小偏心造成的扭转;砌体墙的抗侧刚度大、变形能力小,混合使用不利于结构抗震。(2)剪力墙结构(也称抗震墙结构):剪力墙结构承受竖向荷载和抵抗水平荷载是通过钢筋混凝土墙(亦抗震墙)来实现的,采用现浇钢筋混凝土,整体性好,承载力及侧向刚度大。剪力墙的延性设计的好坏直接影响着它的的抗震性能。在以往的地震灾害中,剪力墙结构的的震害一般比较轻。(3)框架―剪力墙结构:框架―剪力墙结构体系就是把框架和剪力墙两者结合起来,共同抵抗竖向荷载和侧向力,相互弥补,从此产生更好的结构效果。框架―剪力墙结构既有框架结构的特点,又具备剪力墙结构的优点。剪力墙刚度大主要承担层间剪力,而框架的延性要好一些,在遭遇地震作用下,先屈服剪力墙的连梁,这样是剪力墙的刚度会减小,剪力墙抵抗的层间剪力会转移到框架上,框架利用足够的承载力和延性来抵抗地震作用,那么这两种抗侧力结构的优势可以充分发挥出来,在遭遇地震作用时避免严重破坏甚至倒塌。因此建造较高的高层建筑通常采用这种结构型式,目前在我国得到广泛的应用。要根据所设计的建筑高度,是否需要抗震设防及抗震设防烈度等因素,选择一个与其匹配的、经济的结构体系,是结构效能得到充分发挥,建筑材料也能充分的被利用,最终会形成完美的结构设计。
2 正确认识高层建筑的受力特点
高层建筑可以简化成一个竖向悬臂结构,结构轴向力主要是垂直荷载所产生的,它与建筑物高度是一次方的关系;结构的弯矩则是由侧向力所产生,弯矩与建筑物高度是二次方的关系。由此可以看出,在高层结构中,垂直荷载的影响不如侧向力影响大,结构设计的控制因素也就是侧向力,结构除了应有较大的强度来抵抗侧向力产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力,同时结构还要具备足够的刚度,使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。
3 建筑体型和结构总体布置
建筑体型和结构总体布置在高层建筑的设计中也特别重要。建筑的平立面表现的是建筑体型,结构构件的平面布置和竖向布置反映的就是结构的总体布置,布置结构构件应该根据结构抵抗竖向荷载、抗风、抗震的要求来布置。结构平面布置对称、均匀并且有较好的抗扭刚度。结构竖向布置也要均匀,结构的刚度、承载力和质量分布均匀,无突变。
4 高层建筑结构的抗震设计
抗震概念设计在高层建筑抗震设计中很重要,结构抗震设计复杂性,并且有许多不确定和不确知的因素,所以很难精确地计算出结构的抗震能力,准确的得到结构在地震作用下的真实反映更是难上加难。因此对于结构的抗震设计,细致的计算分析和抗震概念设计都是非常重要的。
在地震作用下特别不规则结构的薄弱部位容易造成震害的地方可以用防震缝将其划分为若干个独立的抗震单元,使各个结构单元成为规则的结构,抗震缝两侧结构类型不同时按照需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。
地震区建筑进行抗震设计时,除了应保证结构满足承载力及侧翼限制要求外,还应满足延性要求和具有良好的耗能性能,要实现“中震可修,大震不倒”的原则这是基本措施。钢筋混凝土结构要实现延性结构必须通过良好的延性设计。抗震高层建筑的延性通过合理选用结构体系、合理布置结构、对构建及其节点采取各种构造措施等才能实现,施工质量的良莠对结构的延性也有很大的影响。延性设计不是通过计算实现的,所以,保证结构的延性要通过抗震机构的抗震等级要求及加强构造措施等方法。
必须保证梁、柱、墙构建均具备足够的延性,这样钢筋混凝土结构才能具有一定的延性,才能设计出延性框架和延性剪力墙。“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”是框架结构应遵循的设计原则,截面尺寸的合理选择,柱轴压比,剪跨比,箍筋选配的控制,以及核芯区的构造措施都是框架结构抗震设计的重要内容。框架―剪力墙结构和剪力墙结构设计为实现延性设计应符合“强墙弱梁,强剪弱弯”原则,还应该限制墙肢轴压比和墙肢设置边缘构件提高剪力墙的抗震性能,并且加强重点部位。
结语
通过了高层建筑的受力特点、结构体系、结构布置、抗震设计等多方面的规定,在保证结构安全的前提下,尽可能将结构设计做到最合理、最经济和最优化。
参考文献
[1]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].
[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].
近年来我国地震发生的较为频繁,这就需要在地震频发地区在进行高层建筑设计时,需要确保其结构体系的合理性,同时还要合理选择结构材料。但因为施工、经济等原因,轻质高强材料并没有合理的采用。还停留在增加水泥、增加钢筋、加大截面来刚性提高结构安全,运用新材料、减震、隔震材料用的少。
2抗震设防烈度较低
限于我国的经济发达程度,目前我国的建筑的抗震设防烈度较低,中震相当于在规定的设计基准期内超越概率大约为10%的地震烈度,较低的抗震设防烈度放松了高层建筑的抗震要求。
3高层建筑结构抗震设计的优化措施
要设计出具有较好的抗震能力的建筑应该从结构概念设计和构件设计两方面进行作手。抗震概念设计对结构的抗震性能起决定性作用,因此新规范(规程)均在相关条文中强调了建筑与结构概念设计的重要性,并要求建筑师和结构工程师在高层建筑设计中应特别重视建筑结构设计中的概念设计结构构件抗震的优化准则,即“四强四弱”“强柱弱梁”是指节点处柱端实际受弯承载力大于梁端实际受弯承载力;“强剪弱弯”是防止构件剪切的破坏,要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力;“强节点弱杆件”是防止节点的破坏先于构件;对于杆件截面而言,“强压弱拉”是为避免杆件在弯曲时发生受压混凝土破裂的脆性破坏,使受拉区钢筋的承载力低于受压区混凝土受压承载力具体的可以从以下几点进行考虑。
3.1选择有利的抗震场地
地震对建设在不同地质条件上建筑设施的破坏作用有明显差异。在施工做好地基地质勘察工作,确保建筑场地有利于建筑设施的抗震,应避开对抗震不利地段,当无法避开时,应采取适当的措施提高抗震能力。按照建筑场地地基地质特点和受地震破坏作用的强弱进行有效分类,根据建筑场地的实际情况合理采取抗震措施,如根据地基地质抗震设防类别、地基液化等级等实际情况合理选择采用合理的基础形式,或者有效消除地基液化沉陷现象。
3.2选用合理的结构体系
避免采用抗震能力较低的板柱-抗震墙结构、框架结构、尤其是单跨框架结构等。3.2.1优化平面和立面设计结构的简单性,即尽量均匀、对称。结构简单是指结构在地震作用力下具有直接和明确的传力途径。只有简单的结构,才能够易于把握建筑结构的计算模型、内力位移分析和结构薄弱部位,从而对结构的抗震性能也有更可靠的估计。对于为了满足建筑功能要求的平面和立面的不规则,可以采取以下几点给予改善。3.2.2提高结构的刚度和抗震能力水平地震的作用是双向的,建筑结构设计应使高层建筑能抵抗任意方向的地震破坏。通常设计可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力,结构的抗震能力则是结构强度及延伸的综合反映。结构刚度的选择不仅要能减轻地震破坏作用,还要注意控制结构变形的增幅,过大的变形会产生重力二阶效应,导致结构破坏、失稳。3.2.3结构的整体性在高层建筑结构中,楼盖的设计对高层建筑整体性起到至关重要的作用,楼盖相当于水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力结构,而且要求这些结构能协同承受地震作用。特别是竖向布置复杂或抗侧力构件水平变形特征不同步的结构,就更要依靠楼盖使抗侧力与结构能协同工作。3.2.4设置完善的抗震措施抗震建筑结构体系应全面考虑到建筑物的设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素,经过技术、经济技术、经济条件综合考虑来确定。首先应设较多道抗震防线,从而避免因部分结构或构件破坏而导致整个高层建筑结构体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力减弱。合理的刚度和强度分布,会避免因局部消弱、突变性、过大的应力集中或塑性变形集中可能产生的薄弱部位。
3.3选用合适的建筑材料
合理选择高层建结构材料也有利于提高建筑设施的抗震性能。从抗震设计的角度对建筑工程所用材料参数进行有效分析,选用符合高层建筑抗震要求的工程材料。尽量选用高性能混凝土和高强钢筋及其他高强轻质材料,以提高提高构件内力及抗震性能,并应积极运用新型减震、隔震材料。
4结语
关键词:高层建筑;建筑结构;抗震设计
Abstract: as is known to all, the building design and construction is an important part of high-rise building is the seismic work. According to the practice of high-rise building structure seismic design concept, principles and methods of simply discussed.
Keywords: high building; Building structure; Seismic design
中图分类号:[TU208.3]文献标识码:A 文章编号:
建筑结构工程师按照抗震设计要求进行高层建筑的结构分析和设计,其主要目标是希望使所设计结构在刚度、强度和延性等方面达到最佳以实现“大震不倒,中震可修,小震不坏”的目的[1]。然而,由于地震作用随机性很强,是一种循环往复荷载,高层建筑物的地震破坏机理极其复杂,存在着诸多不确定性因素。在结构内力分析等方面,由于未能充分考虑到结构的空间作用、材料时效、非弹性性质和阻尼变化等多种因素,计算方法仍不完善,仅靠微观数学力学计算还不能使建筑结构在遭遇地震时真正确保其具备良好抗震能力。因此,在进行高层建筑结构抗震设计时,务必遵循一定的设计理念和方法。
一、高层建筑抗震结构设计基本原则
1.1结构构件应具备必要的刚度、承载力和稳定性等方面的性能
①对可能造成结构的相对薄弱部位,应采取必要措施提高其抗震能力。
②结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的基本原则[2]。
③承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
1.2尽可能设置多道抗震防线
①一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架-剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成,双肢或多肢剪力墙体系组成。
②强烈地震之后往往伴随多次余震,如只有一道防线,则在第一次破坏后再遭余震,将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度,有意识地建立一系列分布的屈服区,主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度,以使结构能吸收和耗散大量的地震能量,提高结构抗震性能,避免大震时倒塌。
③在抗震设计中某一部分结构设计超强,可能造成结构的其他部位相对薄弱,因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小,改变抗侧力构件配筋的做法,都需要慎重考虑。
④适当处理结构构件的强弱关系,同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后,其他抗侧力构件仍处于弹性阶段,使“有效屈服”保持较长阶段,保证结构的延性和抗倒塌能力[3]。
1.3对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其抗震能力
①要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。
②要使楼层(部位)的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化,一旦楼层(部位)的比值有突变时,会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。
③在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位),使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移,这是提高结构总体抗震性能的有效手段。
④构件在强烈地震下不存在强度安全储备,构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。
1.4 减轻高层建筑结构的自重。
要从两个方面入手。首先,要看到的是高层建筑的地基承载能力,如果是在相同的地基条件下,减轻建筑结构就意味着通过节省重量来增加了建筑的延伸高度,这种高度的延伸,不涉及到增加地基处理的造价和不增加地基基础。其次,地震的效应和建筑的重量是呈正比的。高层建筑的重心一般会较高,重心高就意味着在地震外力的作用下,建筑的倾覆力矩也随之增大。所以在设计的过程中,建议高层建筑的隔墙和填充墙最好采用轻质材料。
1.5 推广采用隔震和消能减震的设计方式
我国高层建设的抗震设计一般采用的是“延性结构设计体系”,这种设计体系的原理是通过适当地控制建筑物的刚度,保证建筑物在地震中能够即时进入到非弹性状态,在这种状态下,保持合理的延性,通过延性来释放地震传输的能量,减少地震反应,以达到“裂而不倒”的效果。在设计中,建议在采用“延性结构设计体系”的同时,同时采取滑移隔震、软垫隔震、悬挑隔震、摆动隔震等隔震措施,从而改变建筑结构的整体动力特征,最大限度的降低了地震能量的摄入。同时,建议提高结构阻尼,在设备设计中,最好采用延性较好的构件,这样就可以很好地提高结构的耗能能力,来减少高层建筑各楼层的地震剪力,从而减轻地震作用力。
二、增强短柱抗震性能的有效措施
有抗震设防要求的高层建筑除应满足强度、刚度要求外,还要满足延性的要求。钢筋混凝土材料本身自重较大,所以对于高层建筑的底层柱,随着建筑物高度的增加,其所承担的轴力不断增加,而抗震设计对结构构件有明确的延性要求,在层高一定的情况下,提高延性就要将轴压比控制在一定的范围内而不能过大,这样则必然导致柱截面的增大,从而形成短柱,甚至成为剪跨比小于1.5的超短柱[4]。众所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱几乎没有延性,在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时,很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。
混凝土短柱的延性主要受轴压比的影响,同时配箍率、箍筋的形式对混凝土短柱的影响也很大。高层混凝土结构短柱,特别是结构低层的混凝土短柱,其轴压比很大,破坏时呈脆性破坏,其塑性变形能力很小。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,可以从以下几方面着手,采取措施提高混凝土的抗震性能。
2.1 采用钢管混凝土柱
钢管混凝土是套箍混凝土的一种特殊形式,由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束,使得混凝土处于三向受压状态,从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高,混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同时,钢管既是纵筋,又是横向箍筋,其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下,相当于配筋率2至少都在4.6%。当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后,柱子的承载力可大幅度提高,通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上,消除了短柱并具有良好的抗震性能。
2.2 增强短柱的受压承载力
提高短柱的受压承载力可减小柱截面、提高剪跨比,从而改善整个结构的抗震性能。减小柱截面和提高剪跨比,最直接的方法就是提高混凝土的强度等级,即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力,降低其轴压比;但由于高强混凝土材料本身的延性较差,采用时须慎重或与其他措施配合使用。此外,可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。
三、结论
当前,土与结构物共同工作理论的研究与发展使建筑抗震分析在概念上更趋完善,如果可以在结构与地基的材料特性、动力响应、计算理论和稳定标准诸方面得到符合实际的发展,自然会在建筑结构抗震领域内起到重要的作用。
参考文献
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[3]宫方武,玉琢. 浅谈高层建筑结构抗震设计[J]. 硅谷, 2008,(10) .
关键词:高层建筑;抗震;设计
中图分类号:TU972 文献标识码:A
一、建筑抗震的理论分析
(一)建筑结构抗震规范
建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结,是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算,结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平,又反映了各个国家的具体抗震实践。
(二)抗震设计的理论
1.静力理论。静力理论是20世纪10-40年展起来的一种理论,它在估计地震对结构的作用时,仅假定结构为刚性,地震力水平作用在结构或构件的质量中心上,地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数。
2.反应谱理论
反应谱理论是在加世纪40-60年展起来的,它以强地震动加速度观测记求的增多和对地震地面运动特性的进一步了解,以及结构动力反应特性的研究为基础。
3.:动力理论
动力理论是20世纪70-80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外,人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解,同时随着强震观测台站的不断增多,各种受损结构的地震反应记求也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论,它把地震作为一个时间过程,选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入,建筑物简化为多自由度体系,计算得到每一时刻建筑物的地震反应,从而完成抗震设计工作。
二、高层建筑抗震设计中经常出现的问题
(一)抗震设防烈度低
现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要,建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高。我国现行抗震设防标准是比较低的,中震相当于在规定的设计基准期内超越概率为10%的地震烈度,较低的抗震设防烈度放松了高层建筑的抗震要求
(二)地基的选取不合理
高层建筑应选择位于开阔平坦地带的坚硬土场地或密实均匀中硬土场地,远离河岸,不应垮在两类土壤上,避开不利地形、不采用震陷土作大然地基,避免在断层、山崖、滑坡、地陷等抗震危险地段建造房屋。高层建筑的地基选取不恰当可能导致抗震能力差
(三)部分建筑物高度过高
按我国现行高层建筑棍凝土结构技术规程(JGJ3-2002)规定,在一定设防烈度和一定结构型式下,钢筋棍凝土高层建筑都有一个适宜的高度。在这个高度,抗震能力还是比较稳妥的,但是目前不少高层建筑超过了高度限制。在震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化,建筑物的抗震能力会下降,很多影响因素也发生变化,结构设计和工程顶算的相应参数需要重新选取。
(四)材料的选用不科学
结构体系不合理。由于我国建筑结构主要以钢筋棍凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋棍凝土结构的位移限值为基准。但因弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增大了钢结构的负担,血且效果不大,有时不得不加大棍凝土筒的刚度或设置伸竹结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。
三、高层建筑结构抗震设计的措施
(一)推广使用隔震和消能减震设计。目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”,即适当控制结构物的刚度,但容许结构构件在地震时进入非弹性状态,井具有较大的延性,以消耗地震能量,减轻地震反应,使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施,改变结构的动力特性,减少地震能量输入,减轻结构地震反应,是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼,采用高延性构件,能够提高结构的耗能能力,减轻地震作用,减小楼层地震剪力。
(二)减少地震能量输入
积极采用基于位移的结构抗震设计,要求进行定量分析,使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外,要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比;根据构件变形与结构位移关系,确定构件的变形值;并根据截面达到的应变大小及应变分布,确定构件的构造要求。对于高层建筑,选择坚硬的场地土建造高层建筑,可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。错开地震动卓越周期,可防止共振破坏。
(三)在高层建筑的方案设计阶段
结构材料选用也很重要。可以对材料参数随机性的抗震模糊可靠度进行分析,改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性血忽略了其他多种不确定因素,综合考虑了材料参数的变异性,地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。
(四)高层建筑减轻结构自重
从地基承载力来看,如果是同样的地基条件,减轻结构自重意味着在不增加基础或地基处理造价的情况下,可以多建层数,特别是对于软土更为明显。地震效应与建筑质量成正比,结构质量的增加必然引起地震力的增大。高层建筑由于高度较大,重心较高,地震作用倾覆力矩也随质量的增加而增大。设计时要求高层建筑物的填充墙及隔墙应采用轻质材料。
(五)高层建筑结构应设置多道抗震防线。
建筑物应设置多道抗震防线,当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后,后备的第二道乃至第二道防线能抵挡后续的地震动的冲击,使建筑物免于倒塌。高层结构形式应采用具有及壁式框架的框架剪力墙,剪力墙框架简体,筒中筒等多道抗震防线结构体系。
四、高层建筑结构抗震设计的展望
建筑材料对结构抗震的影响越来越得到重视。建筑材料的各个抗震指标的提升可以提高高层建筑的抗震能力,研制新的建筑材料可推动高层建筑结构抗震技术的发展。通过优化的抗震方法设计,来实现高层建筑的抗震要求。按照结构综合抗震能力的要求采取抗震措施时,对同一建筑结构不同的楼层和不同部位的构件,构造措施的基本要求不同。当同一建筑结构不同部位的性能要求有明显差异时,也可有响应不同的基本要求。设计人员在掌握性个结构抗震措施的基本原则要求和构造基本抗震措施的基础上,发挥主观能动性,通过优化方法设计出满足抗震设防标准的建筑结构。结构减震体系采用的是以“柔”克“刚”的新概念,它通过调性结构动力特性、隔震、减能或控制来达到抗震的目的。计算机模拟抗震试验得到广泛应用。将制作好的模型或结构构件放在模拟地震振动台上,台面输入某一确定性的地震记录,能够较好地反映该次确定性地震作用的效果。计算机模拟环境可以拟真抗震效果,帮助利学改进各因素,有效抗震
五、结束语
随着新型结构原理的进步,高性能材料的发展,计算机技术水平的不断提高,促使人类建筑再上一个新的台阶。新型结构体系结构形式复杂,分析难度大,全面细致的考虑结构各个构件和每个组成部分,成为今后新型结构体系设计和考虑的重点。
参考文献:
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作者简介:
关键词:高层酒店框架―核心筒结构抗震设计
0 引言
伴随国民经济的不断发展,高层建筑需求愈来愈大,结构形式也趋向多样化发展。其中,框架一核心筒结构体系由于整体性好、刚度大、侧向变形小、抗震性能好,而得到广泛应用。论文结合徐州市青年路117号高层酒店的设计案例从建筑设计的角度介绍了其框架一核心筒结构体系的抗震设计,并在优缺点的分析下进行了抗震结构加强措施。
1 项目概况与结构选型
项目位于徐州市CBD和火车站、汽车站中间,是一栋集商业、酒店为一体的高层建筑。大楼总建筑面积为24000平方米,共25层,其中地下一层,层高5.0米,地上一层5.0米,二至四层层高为4.5米,标准层层高3.0米,地面以上高78.5米。建筑标准层平面呈类矩形形式,是种根据建筑造型设计而变形的四边形。面积约为1430平方米。大厦4层以下与裙房相连组成健身场所、康乐设施、餐饮娱乐等灵活空间,4层以上为酒店用房。
工程抗震设防类别为乙类,建筑场地类别为II类,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,结构设计使用年限50年。
根据建筑使用功能、内部设施要求和建筑立面特点,设计采用了现浇钢筋混凝土框架一核心筒结构体系。体系包含了由两种不同的抗侧力结构,即框架结构和由剪力墙组成的核心筒结构。由于剪力墙的抗侧刚度比框架的抗侧刚度大很多,故整体结构的抗侧力能力大为加强。此外,采用框架结构能满足建筑设计中大小空间不同的需求,可以将电梯间、楼梯间及设备用房等小空间设置于贯通建筑物通高的两个核心筒内,框架柱则设置在周边区域,可以灵活分割空间(图1)。
图1标准层、一层平面结构示意图
Fig. 1The standard layer and the first layer plane structure diagram
2 抗震结构的优缺点分析
2.1 高层建筑抗震设计原则
为了达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的目标,高层建筑结构设计应满足以下基本原则:①结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能,遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。②尽可能设置多道抗震防线。③对可能出现的薄弱部位,采取措施提高其抗震能力。
2.2 设计方案优缺点分析
在高层建筑抗震设计原则指导下,结合高层建筑的受力特点,下文从建筑方案设计角度对徐州市青年路117号高层酒店的抗震设计进行优缺点分析。
2.2.1 优点分析
①多道防线的设置。
地震往往伴随多次余震,如果建筑抗震设计只有一道防线,很有可能在遭遇余震的时候形成倒塌。故高层酒店的设计选取框架一核心筒结构作为主体结构,从而实现了第一道防线和第二道防线的设置:第一道防线为核心筒;第二道防线为外框架。同时,设计有意识地建立一系列分布的屈服区,作为第三道防线。即设计通过加强主要耗能构件的延性和刚度,保证结构能吸收和耗散大量的地震能量,从而提高结构抗震性能,避免大震时倒塌。
②裙房与建筑主体之间抗震缝的设置。
117号高层酒店东段24层,西段4层,东西端之间防震缝的宽度为150厘米。建筑平面通过防震缝的设置,将建筑划分为“规则”的平面部分,降低了抗震设计的难度,并提高了抗震设计的可靠度。
2.2.2 缺点分析
①此酒店建筑属于高层建筑,由此引发由高度产生的短柱问题。
②建筑结构设计中薄弱环节的出现。在独特的扭转造型下,框架一核心筒结构的连梁、剪力墙的底部加强区和结构刚度突变区域都是结构设计中的薄弱环节。
3 结构加强措施
3.1 提高短柱的抗震性能
高层建筑底层柱的柱截面随着建筑物高度的增加而增大,便形成延性很差短柱,在地震发生很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌,故提高混凝土短柱的抗震性能十分必要。可以采取如下措施:
①提高短柱的受压承载力来改善整个结构的抗震性能,最直接的方法是提高混凝土的强度等级,或者采用钢骨和钢管混凝土柱。
②采用钢管混凝土柱以提高其的承载力。此类柱的柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上,可以在消除短柱的同时可提高柱子的抗震性能。
③采用分体柱。由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多,在地震作用下其抗弯强度往往不能完全发挥作用,因此人为地削弱短柱的抗弯强度,使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度,有利于提高柱子的抗震性能。
3.2 加强薄弱环节,提高抗震性能
3.2.1 加强层的设置
因为框架一核心筒结构抗侧力刚度不能满足设计要求,所以117号高层酒店设计选取13层作为加强层。在具体的建筑设计中,13层本是作为转换层、避难层而存在的,现在可将该楼层的核心筒与框架之间设置刚度较大的水平伸臂构件或沿该层的框架设置刚度较大的周边环带作为结构设计中的加强层而存在。
加强层的设置可使周边框架柱有效地发挥作用,增强整个结构的抗侧力刚度。在风荷载作用下,设置加强层是一种减少结构水平位移的有效方法。但在地震作用下,加强层的位置往往转化为薄弱层,故设计进一步采用“有限刚度”加强层,“有限刚度”加强层弥补整体刚度之不足的同时可以适当控制加强层的刚度,减少结构刚度突变和内力的剧增。
3.2.2 加强薄弱环节的抗震性能
以框架一核心筒结构的底部加强区为例:
采取措施加强底部简体剪力墙的抗弯承载能力,方案设计针对薄弱部位采取比规范更严格的配筋构造,从而提高剪力墙的抗弯承载能力,保证其抗剪承载能力处理好连梁和墙肢的关系,达到“强剪弱弯”的抗震构造要求。
4 结论
高层建筑的造型和功能日趋多样化。高层结构设计尤其需要重视抗震设计,本文结合徐州市青年路117号高层酒店设计探讨了框架―核心筒结构在高层建筑中的抗震设计,提出了改善结构抗震性能的加强措施。
参考文献:
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⑶洪婷婷.浅析框架一核心筒结构设计中的几个问题. 结构工程师,2010,26(4):15-20
关键词:超高层建筑;抗震设计;问题;建议
Abstract: In recent years, China's high-rise buildings has developed very quickly. As the particularity of high-rise projects, more stringent seismic design should take technical measures to ensure security. Specification uses three levels of fortification, two-stage design method for seismic design. Combined with practical, on the design of super-tall buildings response spectrum, time history analysis and performance design elements were analyzed.
Key words: high-rise buildings; seismic design; problems; suggestions
中图分类号:[TU208.3] 文献标识码A 文章编号
近几年,我国的经济虽然有了很大的增长,但是依旧要面对到人口增加、人口老龄化等社会问题,人们对于生存空间的需求远比过去的十年高了很多。与此同时,房地产行业也有了空前的发展,这样也给高层建筑的兴建提供了条件和技术。到现在为止,一个城市发展的优越与否很大程度上要看是否有标志性的高层建筑。随着建筑工程的高度逐渐增加和超越,这样也就注定了它本身结构的复杂性,这样也就提出了更多技术上的难题,比如超限高层建筑抗震设计,这关系到建筑物的整体安全性。所以可以看出,如果要想更好的保证建筑物的使用安全,就需要更加的重视高层建筑的抗震设计,因为这不仅关系到人民群众的切身利益,更关系到我国未来社会主义经济建设的成败。所以,必须要做好对超限高层建筑工程的抗震设计,这是至关重要的一点,更是反应我国综合国力的一个重要表现。
1.超限高层建筑设计基本要求
1.1 在工程和设计的过程中,必须要针对建筑物的整体稳定性、承载程度以及整体延伸性等多个方面进行综合考虑。在工程的设计中,对于结构的构建必须要符合安全的要求,还有对可能出现薄弱部分的进行建筑加强,采取必要的措施,提高建筑物整体的抗震能力,当然对于建筑物所要承受的竖向荷载来说,基本的构建不可以成为主要的耗能构件。
1.2 在建筑物设计中,要尽量的设置多层次的抗震防线。对于每一个建筑物来说,一个良好的抗震体系必须要由多个延伸性较好的分体构成,多个构件结合在一起工作,起到很好的配合作用也不会相互影响。在高层建筑中会设立很多的抗震防线,这主要是因为在一次强烈的地震过后必定会经历多次的余震,但是如果只有一道抗震防线,那必定很难保证建筑物的整体安全性和稳定性,所以必须要在超限高层建筑中设立多个抗震防线,还要保证主要的耗能构件具有相对较高的刚柔性和延伸性,这样可以尽量的保证建筑物的结构不受破坏和影响,对于地震能量的减缓有很大的帮助,还可以提升超限高层建筑的整体性能。当然对于建筑物内部中的构件之间的关系也不能忽视,对于每一个楼层来说,在使用的主要耗能构件发生屈服之后,必须要对其进行弹性检测,使其可以拥有时间较长的抗倒塌能力。
1.3 对于建筑物中的薄弱位置要格外的重视,尽量采取多种方式提升建筑物的整体抗震性。在发生地震的情况下,建筑物的构件要可以承受较强的冲击力,这就要求对建筑物的薄弱部分进行仔细的观察、分析和研究,采取适当的措施进行加固处理,还要对承载力和弹性受力所在的均衡位置点进行合理的处置,保证在发生重大事故的时候可以及时的发现问题和处理问题。
2.超限高层建筑的处理方式
在很多的超限高层建筑中,针对建筑物的整体稳定性和安全性,必须要对其采取相应的加强措施,这样才可以保证建筑物在遇到地震时可以发挥出更好的稳定性。
2.1 构造加强措施
2.1.1 对于底部部位的剪力墙厚度,要尽量的加大。
2.1.2 可以在底部加强部位使用型钢混凝土柱,并且可以加大它的配箍特征值。
2.1.3 对于连梁配筋而言,需要采用交叉暗撑的方式搭建。
2.1.4 要对框支柱的轴压比进行更为严格的控制。
2.1.5 对于节点和锚固的加强可以通过采用构造措施实现。
2.2 梁式转换层结构
2.2.1 将柱由转换层向上延伸两层。
2.2.2 对剪力墙的配筋强度而言,要适量的提升,通常对底部的加强部位会取百分之0.5.
2.2.3 对框支柱的轴压比进行严格的控制,可以使用型钢混凝土柱。
2.2.4 对与配筋的使用,在转换层上下层可以使用双层双向配筋。
2.2.5 对于整体结构的布置要适当的进行调整,满足设计的刚度要求。
2.2.6 增大落地剪力墙的厚度。
2.2.7 对于结构型钢结构模型的混凝土转换梁而言,要合理的设置配筋和节点。
2.3 对于竖向和结构的平面布置,必须要避免扭转带来的影响,还要保证侧向的刚度可以在一个较为均匀的水平上变化。对于构件的布置,要通过充分的计算,反复的进行调整,得到一个最佳的位置,这样可以保证在地震的影响下不会产生过多的偏移。
3.超限高层建筑抗震设计中的问题
在超限高层建筑的施工过程中,最重要的一个问题就是要对于建筑物整体抗震性研究,在这中间一个比较突出的问题就是建筑物的短住问题,针对这一问题主要从以下的几个方面进行分析。
3.1 对施工地质和周边环境的资料缺少。因为在我国的经济体制下,或多或少会受到计划经济的影响,这样就导致很多建筑施工会出现急功近利的现象,这主要是因为很多工程在施工之前没有对相关的地质条件和环境条件进行充分的调查和研究,只是急于开工而忽略了施工的重要依据,这样难免会导致很多事故的发生概率增加。
3.2 结构在平面生的布置问题。
在很多的超限高层建筑中,多数都是以不规则的形状出现,这样跨尺度较大的设计在施工的时候就会造成很多的技术难题,使得结构平面上出现不均匀的现象,造成平面的长度过长,影响整体的安全性。
3.3 超限高层建筑方案中存在多个不一样的受力体系。可能建筑物负重的结构是有两个不同的结构单元组成的,这样对于房屋整体的抗震性会产生很大的负面影响,使得房屋很容易发生倒塌事故。
4.加强超限高层建筑抗震设计的建议
通过上面的研究,可以看出超限高层建筑的施工是一个很复杂的过程,还要投入大量的人力和物力,并且要面临较大的施工和经济风险,多个方面的因素都会对施工造成一定的影响,因此必须要对制定一个合理的严格的设计方案和施工方案。那就必须要从勘探地质和环境开始,做到最大限度的评测,对各个影响因素综合考察,决定最终的取舍。只有通过一个严密的设计方案,再到一个严谨的施工方案,才可以最大限度的满足超高层建筑的抗震要求。
5.总结
综上所述,可以看出超限高层建筑工程设计的抗震性要求是非常重要的,所以要对抗震设计这一环节有足够的重视。还要不断的提升超限高层建筑的抗震要求,保证超限高层建筑的质量和安全,这就要对现有的设计施工技术进行改良和创新,适当的引进国外的先进技术和科技,结合我国的具体国情,制定出更适合我国发展的设计施工方案。相信通过这样一个严密的程序制定出来的设计方案,一定可以更好的提升建筑物的整体使用性和安全性,提升建筑的社会效益和经济效益。相信在未来的发展中,我国的超限高层建筑可以向着更加安全、环保和经济的方向发展。
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