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关键词:高层建筑;抗震设计;问题;策略
1引言
随着社会经济的快速发展,我国城市化进程不断加快,城市中随处可见高楼林立,加之世界人口数量的激增,为了给人类提供拥有更多的建筑空间,高层建筑规模越来越大,建筑层数也不断提高。与此同时,随着建筑的复杂性和难度的增加,人们对于建筑安全的要求越来越高,特别是作为一个地震多发地区的国家,加之近几年自然灾害的频发,我国居民对于高层建筑的防震效果更加重视,这就对我国高层建筑的抗震设计带来了不小的挑战。因此,笔者认为,十分有必要对我国高层建筑的抗震设计中存在的问题进行研究,并寻求合理的解决途径,以期能够提高我国高层建筑抗震能力。
2高层建筑抗震设计中存在的问题
2.1高度规范问题
虽然我国有相关的法律法规和政策文件对建筑物的高度规范做出了明确的、具体的规定,而且为了保证高层建筑的安全性,针对不同级别的高层的混凝土的建筑结构技术也有不同级别的高层建筑设置规范,但从我国现阶段各个建筑单位的实际执行情况来看,很多房地产开发商为了追求经济利益,使得高层建筑的高度远远超过了科学合理的范围,以至于在遭遇地震时,这些违规高层建筑会成为“众矢之的”,不能有效抵抗地震威胁。
2.2抗震材料选用问题
我国虽然也是地震多发国家,但是与国际上发达国家在高层建筑时结构材料的选择还相差甚远。地震多发地区的建筑应当较多的采用钢架结构,以提高建筑的稳定性和安全性,但是我国很多地震区域的高层建筑仍然知识钢筋混凝土的普通结构,这种结构的抗震性能远不及钢结构。另外,对于建筑高度高于150m的高层,应当有三层支撑框架做支撑。而且随着科技的进步及钢铁产能的提高,新型钢质混凝土结构一般质量较轻,且能够在减少钢架结构尺寸的基础上,提高高层建筑的防震能力。
2.3抗震设计人才支撑问题
现阶段我国抗震设计领域的专业人才还很匮乏,很多抗震设计大多是借鉴国外的成功经验,国内设计者的自主创新能力较低。虽然国内很多高校和职教院校都开设了抗震设计专业类课程,但是由于我国缺乏实际施工实践经验,理论知识与实践能力的不扎实,课程结构的不全面等,使得我国建筑设计在抗震设计领域的人才十分匮乏,国内一些经典的高层建筑还不得不依赖国外的设计师来进行抗震设计和施工,抗震设计人才支撑不足。此外,我国抗震设计的抗震能力较差,抗震级别较低,还比不上发达国家的标准。我国的建筑架构设计安全系数还不高,因此,亟需相关部门对我国高层抗震设计做出更为符合我国国情和时代要求的标准,以提高我国高层建筑抗震设计的适宜性。
3我国高层建筑抗震设计优化策略
3.1采用位移的结构抗震方法进行设计
地震来临时,高层建筑都会因为受到地震能量作用而发生变形,还有一些建筑在施工过程中也会出现变形,所以,不论是在建筑施工还是在后期防震设计和建设过程中都应当设置合理的弹性变形结构,比如位移变形结构设计,通过改变纵地基层的位移来减少地震产生的位移,另外还应当对界面结构的应变分布处进行处理来加强变形部件之间的联系,提高抗震效果。此外,还可以在建筑周围建立一些巩固结构,减少地震直接对建筑物产生能量,减弱地震力。
3.2运用高延性结构来进行消震和隔震
高延性结构能够有效抵消地震力,并起到良好的隔震效果,因此,我国当前在建筑的防震设计及后期施工过程中,很多建设和施工单位都加强了结构的韧性、刚度,并对地震构造进行了科学的设计,提高高层建筑的结构韧性和刚度,减少地震带来的不利影响。地震过程是一种能量的释放过程,因此,需要高延性结构设计和施工来产生良好的消震和隔震效果,有效减少地震对房屋建筑的伤害。反过来讲,如果高层建筑的负载能力较差,高延性结构能够更多的过滤掉地震的能量,有效保证房屋的原有结构,避免建筑变形,而适宜的韧性能够大大降低房屋崩塌的发生率。因此,在对高层房屋建筑的设计和规划时,一定要运用先进的技术来提高房屋的抗震能力,比如阻尼器的设计原理就是通过吸收地震能量来减少对房屋建筑的冲击,而且还能监测地震对建筑的破坏程度,效果显著。
3.3建立多层地震防线
通过建立多层地震防线的方式能够提高高层建筑抗地震的性能,满足高层业主对于房屋安全的要求。当高层建筑在遭遇地震等恶劣自然灾害的影响时,如果只有一道地震防线,一旦遇到级别很高的地震,就难以阻挡地震的摧毁和破坏,因此,一定要设置出备用防线,在多层建筑中设置第二道、第三道防线,以防一道地震防线崩溃后造成建筑物的整体崩塌。高层建筑在进行抗震设计时,可以采用多段强框架结构,最常见的比如抗震剪力墙设计,该设计因其抗震性能好,因此被广泛的应用作为抗震墙的第一层防线,而且发挥着最为重要的作用。所以,为了保证墙体的抗震能力足以防止地震的损害,有效减少地震造成的墙体裂痕或者倒塌,就应当科学建立防震结构,多层防线形成合力。而且在地震以后,每一层的剪力墙所承受的负载力应当是设计预期最大剪力墙的两倍,或者要超过地震总剪力值的1/5.
4结束语
时代的发展让高层建筑已经成为我们司空见惯的建筑物,对其进行优化设计,提升其抗震能力也将会成为建筑行业未来发展的重要趋势。相关人员选用更加专业的材料,运用更加专业的技术手段提升建筑的抗震效果。同时,该行业人员也需要不断提升研发能力,让新型抗震材料进入到高层建筑抗震设计中,让高层建筑为人们的生活带来跟尾舒适、安全的居住环境。
参考文献:
[1]张罡睿.高层建筑工程抗震设计中的相关问题分析[J].门窗,2014(4):258~259.
1.1整体尺度原则
城市高层建筑设计的整体尺度原则是指建筑各组成主体间的有机联系及产生的视觉效果。整体尺度原则主要强调的是建筑物整体性,在高层建筑整体性设计时要充分考虑建筑的主体、裙房以及屋面三个主要因素,将三要素有机结合在一起按照统一的尺度参考体系进行设计,而不是将三者单独地按照各自的参数体系进行设计。只有这样才能使三者有机的融合在一起,打造具有整体性的优秀建筑工程设计作品。
1.2近人尺度原则
近人尺度原则在城市高层建筑设计中的内涵是建筑物的进出口以及底层部分的尺寸大小能给人带来视觉享受的同时又能方便人们使用。其中,建筑物进出口是用户每天都要使用的部分,进出口设计质量对用户的感官刺激较大。所以在高层建筑设计时要将近人尺度设计理念充分地融入到设计思路中,合理地划分建筑物入口处的柱子、檐口、大门以及墙面的尺度,细化每一部分尺度,使每一部分尺度都能在满足用户对建筑功能性需求的基础上,又能给人们带来感官享受。
1.3细部尺度原则
细部尺度是指高层建筑所采用的施工材料的质感,是更为细腻的建筑尺度划分。在高层建筑设计时应透彻地了解人们对建筑材质的标准要求及喜好程度。一般情况下,我们对事物的评价,都是通过眼观以及手摸的方式去对事物进行进一步的了解,然后从主、客观角度对该项事物做出综合性评价。所以,设计人员应遵循细部尺度原则,采用人们能够接受的喜爱的建筑材质塑造建筑工程作品,给人们带细部尺度主要是指建筑材料的质感,指高层建筑更细分的尺度大小。
2城市建设中高层建筑设计要点
2.1高层建筑采光设计
随着人们节能减排意识的不断提高,发展节能型建筑是当今建筑工程领域发展的总体态势。高层建筑内的照明能耗比较大,如何通过有效的措施降低人工照明对能源的消耗及利用日光照明是当今建筑工程领域必须要重视的课题。目前,比较先进的日光采集系统主要有以下几种:(1)提高单位面积进光区的日光量,利用太阳光为建筑提供照明需求,可有效降低人工照明对能源消耗。(2)为了能在不增加窗户周围的阳光强度且能使其到达采光更深的工作区域,可以通过阳光发射到屋顶平面来完成。(3)在不改变建筑构造的基础上,如增大建筑窗户的面积或数量来采集更多的太阳光,而能较好地满足建筑内照明需求的同时又不会在强烈的太阳光下给用户带来不适感觉,可通过阳光直射阻挡系统来解决。该系统是利用光线的折射计反射原理为设计依据的。
2.2高层建筑的抗震设计
抗震设计是高层建筑工程设计的重要内容,抗震设计质量对提升高层建筑的抗震能力有着直接的影响。基于地震频发的现实情况,加强高层建筑抗震设计工作是现行建筑工程领域必须要关注及重视的问题。在高层建筑抗震设计时候需要注意以下要点:建筑大厅的四角及建筑外墙位置应设置构造柱,并根据高层建筑要求的具体抗震等级合理确定构造柱数量。建筑框架山墙以及纵向方向的墙体是否设置构造柱用来分担砖墙荷载;在高层建筑抗震设计前设计人员应深入到施工工地进行工程地质勘探,牢固掌握高层建筑施工所在地地质情况及发生地震灾害的频率情况,以此为依据进行高层建筑抗震设计。在抗震设计中设计人员应严格按照《建筑抗震设防分类标准》划分的设防等级进行设计不得以经验随意地更改建筑的设防等级,如果提高建筑的设防等级会额外地增加工程成本投入,而降低建筑设防等级则会降低建筑的抗震能力,一旦地震灾害来临将会对建筑及人们生命财产安全带来极大危害。
2.3高层建筑的消防问题设计
1高层建筑抗震设计的相关概念
高层建筑的抗震设计还需要结合当地的地形以及气候环境条件,针对一些地震高发地带,设计需要采用强度较高的施工材料,要做好建筑结构的优化工作,保证建筑满足抗震设防的要求。高层建筑有着良好的发展趋势,在设计与施工时,一定要保证建筑使用的安全性,并且要使建筑在地震力的作用下,不会出现结构严重变形的问题。高层建筑抗震设计是一项重要的工作,下面笔者对高层建筑结构抗震设计目标以及结构优化措施进行简单的介绍。
1.1高层建筑结构抗震设计目标
高层建筑结构抗震设计是一项重要的工作,设计人员需要保证结构的稳定性,高层建筑结构抗震设计目标是“小震不坏、大震不倒”。为了达到这一目标,设计人员还要合理确定施工的材料,施工材料要具有较高的强度与刚度,建筑结构要具有良好的延展性。另外,在高层建筑施工时,需尽量减少耗能情况,施工单位要多采用可再生的新型能源。
1.2高层建筑结构优化措施
1.2.1加强结构体系的优化高层建筑施工在选择材料时,应尽量选择轻质的材料,结构材料还要具有较高的强度,这样的结构有着良好的连续性,可以抵抗较大的荷载以及作用力,可以保证建筑结构的整体性。合理选择结构材料,并优化结构体系,是提高建筑防震效果的有效措施。建筑工程多采用的是钢结构或者型钢混凝土结构,这对钢材以及混凝土的性能有着较高的要求,在施工前,需要对施工材料的性能进行检测。优化建筑抗震结构体系,可以保证建筑的承载力,避免结构在地震力作用下出现变形问题,良好的建筑结构可以起到吸收地震能量的作用,在地震灾害下,有利于避免建筑出现较为严重的损毁问题。建筑抗震设计需主要结构的整体性,这考验了设计人员的能力,采用型钢混凝土结构,可以保证建筑结构达到立面的效果,提高建筑使用的安全性。
1.2.2场地的选择高层建筑对施工场地也有着一定要求,在施工前,设计人员需要做好地质的考察工作,对施工场地的土质进行检测,并保证地质结构的稳定性,设计人员加强实地勘探,可以了解该地区是否存在地震隐患,并了解地下岩层的结构,根据这些因素进行综合评价,从而得出准确的场地数据。如果遇到不适合建造高层建筑的场地,应该采取回避的措施,给出恰当的危险性评价,从根源上杜绝出现由于地面的震动而摧毁地基的现象。
1.2.3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。
1.2.4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。
2高层建筑结构抗震设计中应主要的几个问题
2.1控制结构超限现象以及相关的解决措施
对于结构薄弱位置,在框架柱内设置型钢,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剪力墙连梁抗震设计措施
①调整连梁刚度折减系数:对内力以及位移进行计算时,对竖向与水平的荷载效应下两种情形进行区别对待。在水平荷载效应下,可以折减连梁的刚度系数,例如:当出现作用力时,折减系数应该大于或者等于0.50;在竖向荷载效应下,不需要折减连梁的刚度系数,通过利用支座弯矩调整的幅度来降低连梁支座的弯矩。
②调整连梁跨高比:在设计连梁时,可能会遇到刚度折减之后连梁的正截面仍然承受剪承载力不足的现象,这时就需要增加洞口的宽度,减低高度。
③其他措施:设置水平缝形成双连梁、连梁内设置交叉暗撑、采用型钢混凝土连梁、调整连梁的内力以及增加连梁延性等。
3结论
在经历了9.0级地震即大海啸后,人们惊异地看到日本的多层、中高层甚至高层建筑物居然完整地挺立着,很多房子虽然被汹涌的海浪挪出很远,但全然没有散架,日本的大地震让建筑抗震再度成为焦点。
结构、地基、规范成三利器
作为一个地震高发国,此次地震仍被视为“日本历史上近1200年一遇的大地震”。虽然地震造成了严重的损失,但多数岿然不倒的高层建筑在灾难中保护了无数人的生命。这样的建筑抗震能力值得中国学习。
日本的高层建筑之所以能在多次强震中岿然不倒,与日本高层建筑的框架结构、特殊防震设计以及建筑抗震标准密不可分。而且在日本的建筑施工中,对于抗震有三种构造概念:耐震、制震和免震。耐震为最普通级别,主要用在低层建筑中。制震则是让建筑物在地震晃动中,集中在一个地方造成损害,但其他地方不会发生损毁。其中一种做法是在建筑物中放置各种球体,让这个部分吸收地震能量,等地震过后,只需把这部分换掉就行,建筑其他地方不会发生问题。还有比较普遍的做法则是放置油压器装置,其作用相当于保险丝,基本上在高层建筑中,每层都会放置一个以上这种装置。
第三种的免震技术运用的成本过高,而且也不是每个地块的地基都适合。所以,现在日本大多数建筑采用的标准基本都是制震的标准。
据留学日本多年的方体空间工作室主持建筑师、北京大学建筑学研究中心副教授王昀表示:“日本的高层建筑多以纯钢结构、钢骨混凝土结构为主,而钢结构建筑正是抗震性能最好的,甚至优于日本民居所用的木结构,以及我国大多数建筑采用的钢筋混凝土结构。”
“钢结构的特点正是强度高、自重轻、刚性大,能通过形变来承受动力荷载,因此具有很强的抗震能力。”知名建筑评论家、清华大学建筑系教授周榕表示,钢结构在日本新建的建筑中已经被广泛使用。
地上55层、高185米,有日本最高公寓楼之称的玉县川口公寓,就采用了与美国纽约世界贸易中心相同的建筑结构――填充混凝土钢柱CFT(Concrete-Filled Steel Tube)结构,这种结构的钢柱直径最大达800毫米,厚度达40毫米,管芯中注入了比通常混凝土强度高3倍的特种混凝土。该公寓共使用此种钢柱168根。
同时,日本堪称世界上最严格的建筑规范也是挽救众多生命的一大利器。资料显示,日本自1950年以来多次修改《建筑基准法》,各类建筑的抗震基准已提高到最高水准。
日本《建筑基准法》规定,日本的高层建筑必须能够抵御里氏7级以上的强烈地震。一个建筑工程为获得开工许可,除了设计、施工图纸等文件外,还必须提交建筑抗震报告。这一报告主要内容是,根据地震的不同强度,计算不同的建筑结构在地震中的受力大小,进而确定建筑的梁柱位置、承重以及施工中钢筋、混凝土的规格和配比。
法律还规定,只有一级建筑师以上的人才能有资格编制抗震报告书,而且,报告书中的相关计算必须要使用国土交通省认可的专用程序。普通的一个八九层公寓楼,其抗震报告书动辄厚达两三百页。而建筑抗震报告还必须经过相关部门或人员的检查,确认无误后才能开工。
让建筑有“弹性”
据经历此次地震的人描述,强震来临时,只见眼前的高楼大厦左右摇晃,仿佛在“跳舞”。但强震过后一看,不仅房屋未垮塌,甚至连大的裂缝都没有。有的人甚至反映,一些高层建筑连玻璃都没有碎。
日本建筑的抗震能力,从结构入手,附加安装阻尼器等,让建筑变得有“弹性”,不再直接与地震“硬来”。
传统观念认为,加粗、加固梁柱等是抗地震的办法,但日本的最新抗震技术是让大楼适度摇晃。森大厦(在上海的开发项目为环球金融中心)的相关人员介绍说,其在日本的大型开发项目六本木新社区的建筑群就采用了这种被称为“柔构造”的抗震技术,这种构造能够吸收地震的能量,而不是“硬碰硬”地对抗地震波。
这种弹性建筑,东京有12座,经里氏6.6级地震考验,证明在减轻地震灾害方面效果显著。据悉,弹性建筑物建在隔离体上,隔离体由分层橡硬钢板组和阻尼器组成,建筑结构不直接与地面接触,而阻尼器由螺旋钢板组成。
高层建筑的震动频率和设计强度使其在地震中不易倒塌。王昀说,“日本的每一栋高层建筑在设计之初都预先设计了减震设施,基本这些减震设施都被设计在地基,当地震来临大楼往东摇时,减震设施就往西移动,以减轻地震带来的压力。”
而这种设计正是日本在构筑高层建筑中普遍采用的“地基地震隔绝”技术,通过在建筑物底部安装橡胶弹性垫或摩擦滑动承重座等抗震缓冲装置来进行减震。当遇到强烈地震时,隔层支座产生弹性水平变位,建筑物就变柔了,大大减小了地震引起的上部惯性力,使得建筑物缓慢的左右、前后平行移动,从而使得上部建筑物基本不损坏,家具不翻倒。当地震停止时,支座的弹性恢复力可以使得建筑复位。
不过,上海市建筑科学院总工程师朱春明表示,高层建筑安装阻尼器代价较高,一般非地震高发地区,不太会花如此高的代价安装,而且也没有很大必要,因为通过其他手段也能满足抗震要求。不过,由于日本是地震高发地区,因此阻尼系统的应用比国内多。
借鉴与瓶颈
比对汶川地震和此次日本大地震后建筑倒坍的画面,SOHO中国董事长潘石屹不禁感叹,中国的建筑质量和日本的建筑质量有很大的差距,尤其农村的建筑缺乏基本的结构,没有水泥的圈梁和必要的柱子,都是用砖头砌起来的,地震后成了碎块。
事实上,虽然高层建筑的危险系数远远大于普通建筑,但高层建筑并不意味着抗震性弱。此次日本大地震中屹立不倒的高层建筑就足以证明这一点。
目前,砖混结构是我国主要的建筑结构,高层建筑则普遍采用钢筋混凝土结构,但这些都已开始在日本建筑中淡出舞台。
“这两种建筑结构,要比钢结构、木结构的抗震性能弱得多。”周榕说。
究其原因,钢结构建筑造价昂贵是主要原因。“平均比钢筋混凝土结构要贵出30%到50%。”中国工程院院士、广州大学工程抗震研究中心主任周福霖指出。而木结构也由于其防火性能差、坚固性不够在我国并不流行。
虽然目前我国已经开始在一些高层建筑中逐渐使用钢结构,比如鸟巢、广州新电视塔等,但仍因成本高企未能占据建筑行业主流。
关键词:建筑;抗震;结构设计
随着这几年来经济的快速发展,由于建设者开发、使用功能上的要求,高层建筑的体型越来越多样化。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化,而且在高度上也大幅度增长。进入上世纪90年代后,结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的日程。特别是我国处于地震多发区,高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务。作为工程抗震设计的依据,高层建筑抗震分析处于非常重要的地位。
地震是威胁人类安全的主要自然灾害之一。我国是一个地震多发的国家,分布广、频率高、强度大、震源浅,是世界上地震灾害最严重的国家之一。近几年来,各国历次地震对人类造成了严重灾害,通过总结大量的经验教训,促使结构抗震设计不断发展。建筑抗震的实践表明,一个地震区建筑物,如果没有良好的建筑总体布置方案,单靠结构抗震计算和抗震的构造措施,在较强烈的地震作用下,仍是难以取得建筑抗震的较好效果,甚至减轻不了建筑物的震害程度。因此,只有建筑设计与建筑抗震设计有机地结合起来,建筑抗震设计水平才能达到一个比较完善的高度。
1 目前我国抗震设计中存在的不足
通过多年对于建筑抗震设计的研究,我国逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计方法而且日益成熟,但是也有许多考虑欠妥的地方,需要我们今后加以完善。首先,与国外规范相比,我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级,但在高烈度区推荐使用高延性等级,在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的,而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.86,而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。另外,我国规定的“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说,并不都是恰当的。最后,由于不同类别建筑的不同重要性,不宜再笼统的使用以上同一个性态目标。此外,还应该考虑建筑所有者的不同要求,选择不同的设防目标,从而做到在性态目标的选择上更加灵活。
2 高层建筑抗震设计中经常出现的问题
2.1 部分建筑物高度过高
按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程规定,在一定设防烈度和一定结构型式下,钢筋混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会发生很大的变化,建筑物的抗震能力下降,很多影响因素也发生变化,结构设计和工程预算的相应参数需要重新选取。
2.2 地基的选取不合理
由于城市人口的增多和相对空间的缩小,不少建筑商忽略了这一问题,哪里商业空间大就在哪里建。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、不采用震陷土作天然地基,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。
2.3 材料的选用不科学,结构体系不合理
在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。由于我国建筑结构主要以钢筋混凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其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,而且效果不大,有时不得不加大混凝土的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。
2.4 较低的抗震设防烈度
许多专家提出,现行的建筑结构设计安全度已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lO%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。
2.5 建筑外形与平面功能影响结构布置
现在某些政府规划部门领导根本不懂结构,纯粹为了形象美观而对建筑设计指指点点,从而使建筑偏离了建筑设计师的最初理念,你对他提出的修改意见不予理会,你就通不过。还有某些建筑设计师根本就缺乏抗震设计的概念,在高烈度区设计出高层建筑的大悬挑,这既增加了工程造价,有埋下了安全隐患,不负责任的叫嚣“没有做不出的结构”,那要看付出的代价和收获是不是对等。
3 高层混凝土建筑抗震结构设计策略
3.1 高层混凝土建筑的结构体系选择
高层建筑结构应根据建筑使用功能、房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、地基情况、结构材料和施工技术等因素,综合分析比较,选择适宜的结构体系。高层建筑钢筋混凝土结构可采用框架、剪力墙、框架- 剪力墙、筒体和板柱-剪力墙结构体系。
框架结构可为建筑提供灵活布置的室内空间。当建筑物层数较少时,水平荷载对结构的影响较小,采用框架结构体系比较合理;框架结构属于以剪切变形为主的柔性结构,使用高度受到限制,主要用于非抗震设计和层数相对较少的建筑中。剪力墙结构中,剪力墙沿横向、纵向正交布置或多轴线斜交布置,由钢筋砼墙体承受全部的水平荷载和竖向荷载,属于以弯曲变形为主的刚性结构。该种结构的抗侧力刚度大,在水平力作用下侧向变形小,空间整体性好。但剪力墙结构自重大,建筑平面布置局限性大,难以满足建筑内部大空间的要求。因此更多地用于墙体布置较多,房间面积要求不太大的建筑物中,既减少了非承重隔墙的数量,也可使室内无外露梁柱,达到整体美观。
框架――剪力墙结构是指在框架结构中的适当部位增设一些剪力墙,是刚柔相结合的结构体系,能提供建筑大开间的使用空间,是由若干道单片剪力墙与框架组成。在这种结构体系中,框架和剪力墙共同承担水平力,但由于两者刚度相差很大,变形形状也不相同,必须通过各层楼板使其变形一致,达到框架和剪力墙的协同工作。从受力特点看,剪力墙是以弯曲变形为主,框架是以剪切变形为主,由于变位协调,在顶部框架协助剪力墙抗震,在底部剪力墙协助框架抗震,其抗震性能由于较好地发挥了各自的优点而大为提高。因此可以适用于各种不同高度建筑物的要求而被广泛采用。板柱- 剪力墙结构,由于在板柱框架体系中加入了剪力墙或井筒,主要由剪力墙构件承受侧向力,侧向刚度也有很大的提高。这种结构目前在7、8 度抗震设计的高层建筑中有较多的应用,但其适用高度宜低于一般框架- 剪力墙结构。
3.2 减少地震发生时能量的输入
在具体的设计中,积极采用基于位移的结构抗震方法,对具体的方案进行定量分析,使结构的变形弹性满足预期地震作用力下的变形需求。对建筑构件的承载力进行验收的同时,还要控制建筑结构在地震作用下的层间位移限值;并且根据建筑构件的变形和建筑结构的位移之间的关系,确定构件的变形值;根据建筑界面的应变分布以及大小,来确定建筑构件的构造需求。对于高层建筑,在坚固的场地上进行建筑施工,可以有效减少地震发生作用时能量的输入,从而减弱地震对高层建筑的破坏。
参考文献:
[1] 伊小群.高等民用建筑结构的抗震设计探讨[J].中国高新技术企业,2010,(20).
中图分类号:[TU208.3]文献标识码:A文章编号:
1 现行规范抗震分析与设计的内容
我国现行抗震规范要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下,按反应谱理论计算地震作用,用弹性方法计算内力及位移,并用极限状态方法设计构件。对于重要建筑或有特殊要求时,要用时程分析法补充计算,并进行罕遇地震作用下的变形验算。这种先用多遇地震作用进行结构设计,再校核罕遇地震作用下结构弹塑性变形的方法,即二阶段设计方法。同时规范还规定了结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形的结构弹塑性分析方法。
结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析和弹塑性静力分析两大类。弹塑性动力分析,采用杆模型和层模型等简化的结构计算模型。杆模型计算的优点是可以得到杆件状态随时间的变化过程,也可得到各楼层的反应。但耗时多、费用昂贵、结果数据量大且分析比较繁冗,在国外也极少采用。层模型计算能得到各楼层的反应,例如层剪力、楼层侧移和层间转角、层间位移延性比等,它主要是从宏观上即层间变形检验结构在大震作用下的安全性。层模型计算的数据相对较少,适宜于进行宏观检验,也便于计算多条地震波作用。但无论是采用杆模型还是层模型进行弹塑性时程分析,计算结果受地震波的影响较大且不存在唯一答案,有时难以判断。
2 高层建筑抗震结构设计的基本原则
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;应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则; 对可能造成结构的相对薄弱部位,应采取措施提高抗震能力;
承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
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。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。
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。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。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。在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层,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。
3我国高层建筑抗震分析与设计中常见问题
按我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》规定综合考虑 经济 与适用的原则,给出了各种常见结构体系的最大适用高度。
这个高度是在我国目前建筑科研水平、经济 发展 水平和施工技术水平下,较为稳妥的,也是与目前整个土木工程规范体系相协调的。对于超高限建筑物,应当采取 科学 谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化,随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。
在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑,采用的三种主要结构体系(框一筒、筒中筒和框架一支撑),这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区,是以钢结构为主,而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构,国内外都还没有经受较大地震作用的考验。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力,有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其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,而且效果不大,有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值。此外,在结构体系或柱距变化时,需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变,常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大,且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时,要慎重选择其结构模式,尽量减小其本身刚度,减小其不利影响。现在许多专家学者提出,现行的建筑结构设计安全度己不能适应国情的需要,认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”。此外,对于“小震不坏,中震可修,大震不倒”这个抗震设计原则,在新形势下也有重新审核的必要。
设防标准低的根本原因在于国家财力物力有限。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外,具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外,在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上,与外国相比,也有异同。随着社会财富的增长,结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降,因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计,特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。
4 抗震分析与设计的新趋势
现代控制理论中的状态空间理论应用到高层建筑结构动力响应问题。根据结构动力方程,引入位移与速度为状态变量,导出状态方程,给出非齐次状态方程的解,进而建立状态空间迭代计算格式。经工程实例验算,具有较高精度。特别对多自由度体系的多输入、多输出等问题的动力响应解法,效率较高。从结构整体性能出发,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而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,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。研究成果可用于对现有的结构进行抗震可靠度评估,并可用于指导基于可靠度理论的结构抗震设计。
5 结语
现阶段,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进一步走向完善,如果可以在结构与地基的材料特性,动力响应,计算理论,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:
[1]王军.某超限高层的抗震性能设计[J].福建建筑,2008,(7).
关键词:高层建筑;混凝土结构;抗震性能;设计
中图分类号:[TU208.3] 文献标识码:A 文章编号:
高层建筑的抗震性能关系到人民的生命财产安全,但是就目前情况来看,建筑结构的抗震性能还存在一定问题,由于地震造成的巨大灾难给人们敲响了警钟,所以,提高高层建筑结构的抗震性能成为现代建筑重点研究的课题。
一、高层建筑抗震结构的分析
现代高层建筑结构形式主要是一个垂直于地面的竖向悬臂结构。其建筑的垂直载荷主要使建筑结构产生一个与地球引力相抗衡的轴心力;建筑的水平载荷使建筑结构产生弯矩。从建筑结构的受力特点进行分析可以看出:当建筑的垂直载荷方向保持不变时,随着建筑高度的不断增加仅仅会引起量的增加而已,而这时水平载荷的方向就可以来自四面八方;而当建筑为平均分布载荷时,建筑的高度就和弯矩呈现出二次方的变化。
再从建筑的侧移特点来看:建筑竖直方向载荷引起的建筑位移是比较小的,而水平方向的载荷作为平均分布的载荷时,建筑的高度就和其侧移呈现出四次方的变化。由此可以得出,在高层建筑结构中,水平方向的载荷对建筑结构的影响是要远远大于垂直方向载荷对建筑结构的影响的,所以在进行高层建筑建设时,水平载荷是在进行结构设计时需要重点控制的影响因素,所以除了在保证高层建筑结构抵抗水平载荷产生的弯矩、剪力以及压、拉应力时,要具有较大的强度以外,还要保证高层建筑结构具有足够的刚度,使得建筑随着高度的不断升高,所引起的侧向变形能控制在结构规范允许的范围之内。
二、高层建筑的抗震结构体系选择
在进行高层建筑结构设计时,应当根据所建设工程的具体使用功能、房屋的高度与宽度的比值、抗震设防的类别、场地的类别以及建筑地基的实际情况、建筑所用的结构材料和施工工艺等相关因素,进行综合的比对分析,从而选择出最为合适的建筑结构体系。高层建筑的钢筋混凝土结构可以采用框架、剪力墙、框架-剪力墙、简体和板柱-剪力墙的结构体系。
建筑的结构框架可以为建筑在进行室内空间的布置时提高其灵活性。当建筑的层数较少的时候,水平方向的载荷对建筑结构的影响是比较小的,所以采用框架结构是比较合理的设计。框架结构主要受到剪力作用的影响,属于柔性结构,其在建筑层数较多时就会受到限制,所以框架结构主要用在非抗震设计以及层数相对较少的建筑当中。
建筑的剪力墙结构中,其剪力墙是沿着建筑的横向方向和纵向方向,进行正交布置或者是多轴斜线交布置的,是由钢筋混凝土墙体来承受建筑所有的水平方向和竖直方向的载荷,是属于以弯曲变形为主的刚性结构。所以剪力墙这种结构的抗侧力刚度相对较大,在水平方向的作用力下侧面方向的变形相对较小,具有良好的空间一体性。但剪力墙结构的缺点就是其结构的自重比较大,在进行建筑的平面布置时具有局限性,很难满足建筑内部需要建设大空间结构的要求。所以剪力墙结构更多的是运用在墙体的布置以及对于建筑的面积要求不大的建筑工程中,这样既弥补了剪力墙的缺点,减少了非承重隔墙的数量,同时也使建筑更加的美观,具有整体性。在国内大力推广节能设计的大环境下,结构设计过程中工程师宜在满足国家及行业规范的前提下尽量节省钢筋混凝土的用量。在剪力墙结构刚度大且轴压比很小的位置增设结构洞,在结构周期比不满足规范要求的一些情况下此种减小刚度的方法更宜优先采用。这样结构设计满足规范要求的同时也降低了钢筋混凝土的用量,降低了工程造价。
建筑的框架-剪力墙结构主要是指:在建筑框架结构中的适当部位,增添设置一些剪力墙,是刚性结构与柔性结构的融合体系,能提升高层建筑大开间的使用空间。在这种体系当中,建筑的主要结构是由若干道单片剪力墙以及框架相互构成的,在这样的结构体系当中,框架和剪力墙将共同承担起建筑水平方向的受力。所以在进行框架-剪力墙这种结构的建筑建设时,必须通过各楼层间的楼板使得其变形保持一致,以此使得两者间能够很好的进行协同工作。而从这两者的受力特点进行分析后,可以看出由于两者的变形方式不同,所以在进行协同工作时,框架结构能协助顶部剪力墙进行抗震,底部剪力墙能协助框架进行抗震,以此发挥出各自的抗震最佳效果,提升了建筑的抗震性能,被广泛运用在高层建筑抗震的设计上。在实际工程设计当中框剪结构的剪力墙时常会影响房间的使用,这样结构专业在设计的时候会因为局部剪力墙不能布置而导致框架柱轴压比略超过规范要求。此种情况设计者宜调整箍筋的直径,间距,肢距从而提高轴压比限值的上限来满足要求。这种方法比增大柱子截面或者提高混凝土强度等级更容易接受。
三、高层建筑的抗震结构布置
在进行高层建筑的独立结构单元布置时,应该使得建筑结构平面的形状相对简单、规则、刚度和承载力都能均匀的分布。建筑的竖直方向体型应该规则、均匀,避免有过大的外挑和内敛。建筑结构的侧向刚度应该是下部刚度大上部刚度小,并逐渐的进行变化。其高层建筑在进行结构布置时应该遵循以下几点要求:
1、在进行高层建筑的结构布置时应该具有必要的承载能力、足够大的刚度以及变形能力。
2、在进行高层建筑的结构布置时,应该注意避免因为部分建筑结构或者是构件遭受损坏,从而导致了建筑结构的整体丧失对重力、载荷以及地震的承受能力。
3、在进行高层建筑的结构布置时,对可能出现的薄弱环节进行严格的审核,并且及时采取相应的有效措施来进行应对。
4、在进行高层建筑的结构布置时,其建筑结构的竖直方向和水平方向的布置,应该使建筑的刚度以及承载力进行合理的分布,避免因地震时引起的局部突变和扭转效益的发生,具有多道抗震设防的特点。
四、高层建筑的抗震结构计算
目前国内外在进行高层建筑抗震结构的计算时,都开始广泛的采用电脑软件,特别是在面对一些比较复杂的建筑结构形式时,电脑软件能对其提供巨大的帮助。在运用电脑软件进行建筑抗震结构的计算时,要求建筑结构的工程师必须具有清晰的结构概念,能准确在计算机上建立出反映工程实际情况的模型,还要能对其计算结果是否具有准确性、合理性做出分析。
在利用计算机进行对高层建筑的抗震结构计算时,要求计算机软件的技术条件应该符合相关的标准规范,并且在进行特殊结构处理计算时,还要阐明其内容方面相关的科学依据。在面对复杂结构下,多发地震灾害的建筑内力和变形的分析时,至少要采用两个不同的力学模型进行研究计算,对计算出来的结果进行准确的分析、确认无误后,才能进行相关建筑工程的抗震结构设计。
五、提高高层建筑结构的抗震性能
由于高层建筑的受力特点与低层建筑的受力特点有所不同,所以在地震频发区,进行高层建筑结构的设计时,除了在保证建筑结构具有足够良好的强度以及刚度以外,还必须具有一定的塑性变形能力,来减少地震对高层建筑的破坏。
高层建筑如果采用框架结构的设计,应该保证节点基本不会受到破坏,同一楼层中各个梁柱的两端屈服历程越长越好,而梁柱两端的塑性铰的出现应尽可能相对分散,以此充分发挥出整体框架结构的抗震能力。
六、结语
为了保证高层建筑具有良好的抗震性,在地震灾害来临之际可以有效的对人民的生命财产安全提供保护,在进行建筑结构的抗震设计时,就必须要通过其受力的特点、建筑结构的体系、建筑结构的布置以及计算进行详细的分析,然后再进行建造。只有这样才能保证高层建筑拥有良好的抗震能力,减少材料用量,降低工程造价,使人们的生命财产安全受到有效保护。
参考文献:
[1]陈天华.高层建筑抗震结构设计探析[J].中国科技信息,2011,(16)
[2]卢伟.高层建筑抗震结构设计之探讨[J].价值工程,2011,30(5)
关键词:高层 建筑 杭震 结构 设计 探析
中图分类号:TU97 文献标识码:A
正文:
一、高层建筑抗震结构的分析
现代高层建筑结构形式主要是一个垂直于地面的竖向悬臂结构。其建筑的垂直载荷主要使建筑结构产生一个与地球引力相抗衡的轴心力;建筑的水平载荷使建筑结构产生弯矩。从建筑结构的受力特点进行分析可以看出:当建筑的垂直载荷方向保持不变时,随着建筑高度的不断增加仅仅会引起量的增加而已,而这时水平载荷的方向就可以来自四面八方;而当建筑为平均分布载荷时,建筑的高度就和弯矩呈现出二次方的变化。
再从建筑的侧移特点来看:建筑竖直方向载荷引起的建筑位移是比较小的,而水平方向的载荷作为平均分布的载荷时,建筑的高度就和其侧移呈现出四次方的变化。由此可以得出,在高层混凝土建筑结构中,水平方向的载荷对建筑结构的影响是要远远大于垂直方向载荷对建筑结构的影响的,所以在进行高层混凝土建筑建设时,水平载荷是在进行结构设计时需要重点控制的影响因素,所以除了在保证高层建筑结构抵抗水平载荷产生的弯矩、剪力以及压、拉应力时,要具有较大的强度以外,还要保证高层建筑结构具有足够的刚度,使得建筑随着高度的不断升高,所引起的侧向变形能控制在结构规范允许的范围之内。
二、高层建筑抗震结构设计的要求
一方面,高层混凝土建筑在设计规划时,一定要把握好结构刚度值的大小,经过精确的计算分析,充分了解地质地形条件、所用建材性能、机械设备运行参数、物理力学知识等内容,最终确定高层结构的整体刚度强弱或者某个结构设施的刚度,依靠连接设置的调节作用,力求保证抗震能力的提高,尽量让整个建筑波动受力保持在地质所能支持的范围之间。也就是说,如果其基础结构产生小幅度的变形,结构的自我调节功能就会使得整体结构不发生大幅度改变,在经过一此维护工作之后,仍然具有使用价值。
另一方面,在结构设计以及规划时,结构工程师一定要着重关键构件和连接点的受力情况,采取相关措施进行有效调节,可以达到消灾减震的目的,尽最大程度地降低地震灾害带来的损失。根据有关地震灾害统计,刚度过于柔和的高层混凝土建筑受到强大的震动作用后,其主体结构受到了一定程度的损毁,然而在余震的相继作用之下,就会受到持续损坏导致崩塌。
总之,对于高层混凝土建筑抗震结构的设计,一定要保证其结构具备适宜的刚度,还要改善其延性等特点,进而增强其整体结构的抗震性能。
三、改善高层建筑抗震结构设计具体措施
(一)选定建设位置
根据地震灾害情况的综合分析,我们得出,如果建筑物所处的位置不同,那么其承受地震作用也会有很大的差别,究其原因就是所处地质条件存在不同点。这就需要,在建设项目位置选定时,应该注意以下两点内容:一是工程项目建设位置的地质环境应该具有良好的抗震能力;二是应该远离有重大威胁的场地,例如变电站、大型石油保存设施等等,防止除地震外其他因素带来的安个隐患问题。
(二)改进结构设计方案
结构工程师所采用的方案要求设计出的建筑能够满足国家规定建筑抗震能力的标准,实现主体结构有足够的空间进行调节变形,并且能够在结构的强大延性作用下,自动回复到正常状态,这样就大大削弱了主体变形对整个建筑结构带来的不利作用,达到高层混凝土结构长期处于稳定牢固的平衡状态。在平算不同程度的地震作用力对结构造成的影响,对其构件开展科学合理的布局,尽量协调高层混凝土建筑结构各种设施之间的受力情况,维持平衡,加大其承受外力的能力,着重考虑结构竖向重力作用的情况,使其平和匀称,达到刚度规划的要求目标,尽可能让设计结构有条理、不紊乱、有层次、不交错,实现增加整体抗震能力的目的着平研究地震灾害记录信息,根据实际要素在设计中融入相应的防震措施,对关键微小部分要严加处理应对,使整体结构由上到下所承受的重力均匀一致的降低,保持建筑整体的对称情况,这种一目了然的重力变化规建能够大大削弱地震带来的水平与竖向不规则的作用力,因而有了相应的抗震效果。
(三)控制扭转效应
地震作用有水平作用、竖向作用以及扭转作用,在多种受力的综合下,就会产生难以估量的破坏力,如地裂、房屋倒塌、地势波动较为强烈等由于地震爆发具有随时性,其中包含很多不稳定的地方,这就要求对于高层混凝土建筑抗震方面的结构设计方面,强调地震带来扭转效应如果没有设置相关结构位移的标准,就应该选取所测定的最大位移部分的刚度以及减弱最小位移带点刚度,保持结构在整体方面位移的一致性保证每一个细节都达到相关的设计要求,一旦发现不合理的地方,就应该及时作出有效的调整,尽量地控制地震扭转作用带来的不利影响。
(四)研究高层混凝土建筑各层结构参数设置
对各层参数的设置主要是在模拟地震时各种受力作用带给结构设施受力分析的计算,例如,墙体承载能力、柱梁变形方面计算等等在高层混凝土结构设计的预处理阶段,在充分了解所建项目的位置、地形条件、所选材料、施工工艺、质量检测等多个方面的基础上,把握其中要点,建立建筑设计的基本框架,应用自身的设计理念和专项技能来进行详实的设计,并对一此关键地方做出十分重要的说明,来完成建筑抗震结构设计的工作最好能够建立系统的完善的建筑结构设计信息数据库,便于结构工程师查找相关案例,总结经验,采取合理的设计方法开展工作在研究建筑复杂结构综合受理情况时,要选出相应的力学模型,例如剪切理论和主拉应力理论,来对建筑结构受理是否合理进行判断应该对由计算机运算结果开展深入的调杳研究,估定其有效程度,为以后的结构抗震能力的设计提供依据高层混凝土建筑结构所要处理的参数包括整体的震动周期、扭转角度、相关刚度比例等。因此,对于高层结构的设计不能一蹴而就,应该经过反复的计算研究和多次协调,在保证其结构具有抗震能力的基础上,确定结构方面的有关参数。
四、高层混凝土建筑的抗震结构布置
在进行高层混凝土建筑的独立结构单元布置时,应该使得建筑结构平面的形状相对简单、规则、刚度和承载力都能均匀的分布。建筑的竖直方向体型应该规则、均匀,避免有过大的外挑和内敛。建筑结构的侧向刚度应该是下部刚度大上部刚度小,并逐渐的进行变化。其高层建筑在进行结构布置时应该遵循以下几点要求:
1、在进行高层混凝土建筑的结构布置时应该具有必要的承载能力、足够大的刚度以及变形能力。
2、在进行高层混凝土建筑的结构布置时,应该注意避免因为部分建筑结构或者是构件遭受损坏,从而导致了建筑结构的整体丧失对重力、载荷以及地震的承受能力。
3、在进行高层混凝土建筑的结构布置时,对可能出现的薄弱环节进行严格的审核,并且及时采取相应的有效措施来进行应对。
4、在进行高层混凝土建筑的结构布置时,其建筑结构的竖直方向和水平方向的布置,应该使建筑的刚度以及承载力进行合理的分布,避免因地震时引起的局部突变和扭转效益的发生,具有多道抗震设防的特点。
结语
为了保证高层建筑具有良好的抗震性,在进行建筑结构的抗震设计时,就必须要通过其受力的特点、建筑结构的体系、建筑结构的布置以及计算进行详细的分析,然后再进行建造,只有这样才能保证高层混凝土建筑拥有良好的抗震能力,才能使人们的生命财产安全受到有效保护。
参考文献:
[1] 现行建筑施工规范大全[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2009.
[2] GB50011 -2010,建筑抗震设计规范[S].
【关键词】高层建筑;结构抗震;优化设计
一、高层建筑抗震设计的必要性
在历年的地震灾害中,结构工程师逐渐认识到工程结构中宏观的“概念设计”比“数值设计”的抗震更为重要,所以对“概念设计”越来越重视。建筑建筑结构概念设计的定义就是在结构的宏观整体的基础上,根据结构系统及结构整体的要求,正确处理结构总体方案、细部构造及材料使用等,进而达到对建筑的合理结构设计。对在结构中遇到的结构体系、构件延性、刚度分布等问题,从宏观的角度上对其进行鉴别、选择等处理,通过适当的计算及构造来消除高层建筑抗震设计中的薄弱环节。工程师在进行概念设计时要充分运用其思维和判断力,确定结构设计中的基本问题。因此,在进行抗震设计时,工程师要充分理解结构抗震的特点,分析振动中结构受力特性,抓住关键问题,用正确的思维才能得到科学合理的结构设计。
二、我国高层建筑抗震设计中的存在问题分析
⒈建筑高度问题分析。在我国制定的高层建筑混凝土结构技术规程中规定,在在一定设防烈度及结构型式下,钢筋混凝土高层建筑的高度要控制在一定的范围之内。这个高度要适合我国现阶段经济发展水平、施工技术水平及建筑科研水平,总之要与我国目前的土建规范体系协调一致。但是我国现在实际的高层建筑的高度已经远远超过了这个原则。要采用科学谨慎的态度对待这些超高限建筑,不但有组织专家对其论证也要进行模型振动台试验。在地震的强烈震感下,超高限建筑物会很容易产生加大的变形,高度越高,设计时的参数就容易超出其适用的范围,特别是延性要求、材料性能、安全指标、荷载取值、力学模型等设计参数,会发生质变。
⒉材料的选用和结构体系问题分析。在地震多发区,人们越来越重视对建筑物所采用的材料及结构体。对于150m以上的建筑,主要采用的结构体系有框-筒、筒中筒和框架-支撑三种体系结构。在高层建筑中,对建筑材料及结构体系的选择尤为重要,但是市场上现有的钢材种类及类型很多,对其结构的加工制造水平也在不断的提高,所以要尽量选择钢管混凝土结构、钢骨混凝土结构来减少柱断面的尺寸,已达到建筑结构的抗震性能。高层建筑超过一定高度后,需要采用混凝土材料和钢骨混凝土来达到减小风振的目的。
⒊抗震设防烈度较低。建筑界权威专家指出,我国目前的建筑结构设计安全度已经不能够适应现阶段的国情,甚至我国采用的结构设计可能是世界上最低的结构设计安全度,所以大幅度提高建筑结构设计的安全度水平已经非常需要。因此在坚持抗震设计原则即“小震不坏,中震可修,大震不倒”下,重新对抗震设计进行审核,以适应我国国情的需要。目前我国现行的抗震设防标准远远跟不上时代的发展,不但对筑结构抗震设计的设防烈度低,而且抗震计算方法和构造规定的安全度也与发达国家相距甚远,当然对配筋率、梁柱承载力匹配等这些抗震延性的要求也不够严格。在经济发展形式下社会财富也会越来越多,那么如果对高层建筑结构的抗震性没有合理的设计必将带来更严重的损失。
三、我国高层建筑结构抗震的具体设计分析
⒈在对高层建筑结构进行抗震设计要注重其结构的规则性。高层建筑的结构均匀性主要体现在:①高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的变形特性及刚度要相近。现阶段的高层建筑基本上都是三维的,但是地震的风荷载等具有随意性,诶有固定的方向,所以要想果高层建筑具有好的抗震 抗风性能其抗侧力结构两个主轴方向的变形特性和刚度要均匀;②高层建筑主体抗侧力结构的构成变化及竖向断面要均匀。即高层建筑主体结构的的层剪切刚度要均匀,这样即使一些薄弱层受到破坏,但是结构整体不会受到破坏;③对高层建筑主体抗侧力结构进行平面布置时,同一主轴方向各片抗侧力结构刚度的均匀,同时要避免布置一些刚度延性差如长窄的实体剪力墙结构。不过这种结构也是满足不了刚度和对称性要求,同时由于个别结构刚度大,在地震时能够吸收极大的能量会被破坏,从而被导致整个结构的破坏。但是如果同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀,那么水平荷载作用下应力分布也会比较均匀,从而实现高层建筑体系的抗震性能。
⒊建筑结构体系合理性选择。在对高层建筑结构进行设计时首先要考虑其结构设计的合理性,因为结构的合理性直接决定对高层建筑的安全性及经济性。①对楼屋盖梁系进行布置时,要分析那条是最短路径使垂直重力荷载传递到竖向构件墙 柱上去;②竖向构件的布置。在垂直重力荷载作用下要尽量使竖向构件的压应力水平均匀,这样可以避免竖向构件间压应力的二次转移。垂直重力荷载下对竖向构件的这种布置是是最合理优化的布置;③转换结构的布置。要使上部结构竖向构件所生成的垂直重力荷载通过最少的转换层到达下部结构的竖向构件;另外要明确整体抗侧力结构体系,结构体系也应该有多道抗震防线及合理的刚度。
四、抗侧力结构和构件的延性设计分析
为提高高层建筑结构和构件的延性水平要注意一下几点。①对钢筋混凝土框架结构设置时要坚持“强柱弱梁”的原则;②限制剪压比。现阶段的钢筋混凝土构件斜截面受剪承载力的设计表达式是由斜截面上箍筋能达到抗拉屈服强度及其受剪承载力随配箍特征值的增长所决定的。但是较大的配箍特征值使其不能充分发挥其强度特性,也会影响剪压比对构件变形性能,所以对剪压比限制,也是满足构件最小截面的要求;③轴压比限制。轴压比不但控制偏心受拉边钢筋抗拉的强度,而且也是受压区混凝土边缘达到其极限压应变的重要指标。无数次实验证明,轴压比越大柱的变形能力越小,尤其在高轴压比下,通过增加箍筋来改善柱变形能力这种方式收效甚微。 因此,高层建筑结构想要有比较好的抗震性,就应限制偏心受压构件的轴压比。同时也要特别注意影响高层建筑结构构件延性的其他因素包括剪跨比、混凝土钢筋材料、纵向钢筋配筋率、配箍率、箍筋型式钢筋连接、锚固方式等,要保证这些方面都应满足高层建筑结构抗震设计的要求。
结论
土木工程技术人员在对高层建筑的研究及设计中,应该站在对建筑的整体宏观角度出法,在对建筑的整个设计过程中科学合理的运用概念设计,对建筑的功能、安全可靠性、经
济合理、美观艺术性等方面具体的考虑并且在对建筑进行设计时不但要考虑其抗震结构的造价,也要考虑其经济、社会效益,,创造出安全、经济的具有最优抗震结构设计的高程建筑。
参考文献
[1] 韩强,刘文光,杜修力,等.橡胶隔震支座竖向性能试验研究[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(2):
[2] 徐宜和,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑,2008(3).
[3] 杨磊.论高层建筑结构抗震的优化设计[J]. 建筑设计,2010(3).