淺析高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

王志勇

地震作用影響因素極為復(fù)雜，它是一種隨機(jī)的、尚不能準(zhǔn)確預(yù)見和準(zhǔn)確計算的外部作用，目前規(guī)范給出的計算方法還是一種半經(jīng)驗半理論的方法，要進(jìn)行精確的抗震計算還有一定的困難，因此建筑(尤其是高層建筑)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建筑抗震設(shè)計的基本內(nèi)容

1.1應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。合理的建筑布置在抗震設(shè)計中是頭等重要的，提倡平、立面簡單對稱。因為震害表明，此種類型建筑在地震時較不容易破壞。容易估計出其地震反應(yīng)，易于采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理。“建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性”包含了對建筑的平立面外形尺寸，抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)量分布，承載力分布等諸多因素的綜合要求?！耙?guī)則建筑”體現(xiàn)在體形(平面和立面的形狀)簡單：抗側(cè)力體系的剛度承載力上下變化連續(xù)、均勻：平面布置基本對稱。

1.2抗震概念設(shè)計應(yīng)堅持的原則

1.2.1剛?cè)嵯酀?jì)原則

在抗震設(shè)計中，不能一味地提高結(jié)構(gòu)的抗力，一般是根據(jù)初定的尺寸和混凝土等級算出結(jié)構(gòu)的剛度，再由結(jié)構(gòu)剛度算出地震力．然后計算配筋。如果結(jié)構(gòu)剛度太大，地震作用效應(yīng)就很大。這樣為抵御地震而需配更多的鋼筋，因此，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，反而使地震作用效應(yīng)增強(qiáng)。在較大的地震力瞬間襲來時，極易造成局部受損，最后導(dǎo)致各個擊破：而太柔的結(jié)構(gòu)雖然有很好的延性，可以消減外力，但容易造成變形過大而無法使用，甚至整體傾覆。在抗震設(shè)計中，為了實現(xiàn)剛?cè)嵯酀?jì)的原則，既滿足變形要求，又能減小地震力，最主要的方法是進(jìn)行隔震消能設(shè)計。隔覆消能設(shè)計一般的做法是在基礎(chǔ)和主體之間設(shè)置柔性隔震層、加設(shè)消能支撐(類似于阻尼器的裝置)等：另外，在抗震設(shè)計中”，剛?cè)嵯酀?jì)”可以通過合理控制設(shè)計總信息來實現(xiàn)。比如周期、位移、地震力應(yīng)滿足GB5001122001建筑抗震設(shè)計規(guī)范限值要求或者不超規(guī)范太多。

1.2.2多道設(shè)防原則

強(qiáng)烈地震后往往伴隨多次余震，如果只有一道設(shè)防，在首次破壞后再遭余震．結(jié)構(gòu)將會因損傷積累而導(dǎo)致倒塌。因此，一個抗震結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)由若干個延生較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來協(xié)同工作，如框架一剪力體系是由延性框架和抗震墻兩個分體系組成。

1.3抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)或構(gòu)件

延性是指構(gòu)件或結(jié)構(gòu)具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。

在“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計原則下，結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結(jié)構(gòu)變形加大，但結(jié)構(gòu)承受的地震作用不會直線上升，也就是說，結(jié)構(gòu)是用它的變形能力在抵抗地震作用。

延性結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點弱桿件，強(qiáng)底層柱”原則，承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

1.4應(yīng)有意識地加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)

1.4.1結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲備，構(gòu)件的實際承載力分析而不是承載力設(shè)計值的分析)是判斷薄弱層的基礎(chǔ)o

1.4.2要使樓層(部位)的實際承載力和設(shè)計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的這個比例有突變時，會由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。

1.4.3要防止在局部上加強(qiáng)而忽視整個結(jié)構(gòu)各位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。

1.4.4在抗震設(shè)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(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的主要手段。

2改善短柱抗震性能

在高層特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，柱子的截面往往比較大，在結(jié)構(gòu)底部常常形成短柱甚至超短柱。按抗震設(shè)計要求，應(yīng)當(dāng)盡量提高短柱的承載力，減小短柱的截面尺寸．采取各種有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。

2.1使用復(fù)合螺旋箍筋

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

2.2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(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此，可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度，這樣，在地震作用下。柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度，從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法，可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為或個柱肢組成的分體柱，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(shè)置一些連接鍵，以增強(qiáng)它的初期剛度和后期耗能能力。一般，連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素硅連接鍵等形式。

對分體柱工作性態(tài)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(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型，從而實現(xiàn)了短柱變“長柱”的設(shè)想，有效地改善了短柱尤其是剪跨比八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(yīng)用。

2.3采用銅，鹼柱

鋼骨硅柱由鋼骨和外包鹼組成。鋼骨通常采用由鋼板焊接拼制或直接軋制而成的工字形、口字形、十字形截面。

與鋼結(jié)構(gòu)相比。鋼骨鹼柱的外包鹼可以防止鋼構(gòu)件的局部屈曲。提高柱的整體剛度，顯著改善鋼構(gòu)件出平面扭轉(zhuǎn)屈曲性能，使鋼材的強(qiáng)度得以充分發(fā)揮采用鋼骨硅結(jié)構(gòu)，一般可比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材達(dá)50％以上。此外，外包鹼增加了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐火性。與鋼筋磚結(jié)構(gòu)相比，由于配置了鋼骨。使柱子的承載力大大提高，從而有效地減小了柱截面尺寸鋼骨翼緣與箍筋對鹼有很好的約束作用，鹼的延性得到提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱子具有良好的延性及耗能能力。

由于鋼骨硅柱充分發(fā)揮了鋼與硅兩種材料的特點，具有截面尺寸小，自重輕，延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等特點，如果在高層或超高層鋼筋硅結(jié)構(gòu)下部的若干層采用鋼骨硅柱，可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。