多高層抗震體系的隔振研究

唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司 王哲元

多高層抗震體系的隔振研究

唐山曹妃甸發(fā)展投資集團(tuán)有限公司 王哲元

地震是一種隨機(jī)震動(dòng)，有著難以把握的復(fù)雜性和不確定性，很難準(zhǔn)確測得建筑物所遇到的地震的特性和參數(shù)。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方面，由于不能充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等因素，也存在欠準(zhǔn)確性等問題。在建筑抗震理論遠(yuǎn)未達(dá)到科學(xué)嚴(yán)密程度的今天，單靠計(jì)算，很難保證房屋具有足夠的抗震可靠度。因此，著眼于提高建筑整體的抗震能力的措施，會越來越受到國內(nèi)外工程界的重視。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究方法

目前，我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本思想是“三水準(zhǔn)設(shè)防和兩階段設(shè)計(jì)”，兩階段設(shè)計(jì)是達(dá)到三水準(zhǔn)設(shè)防的基本手段，以達(dá)到多遇地震(小震)不壞，罕遇地震(大震)不倒的設(shè)防目標(biāo)。

二、高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)原則

1. 剛?cè)嵯酀?jì)。在建筑抗震設(shè)計(jì)過程中若一味提高結(jié)構(gòu)抗力，增加結(jié)構(gòu)剛度，在地震發(fā)生過程中的地震作用也會相應(yīng)增大，即在增加結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)也增強(qiáng)了地震作用，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)往往會造成建筑物局部受損，最后導(dǎo)致建筑物整體受損。但若建筑物剛度過柔，雖然可以依靠其柔性消減地震作用，但也容易導(dǎo)致建筑物形變過大而不能繼續(xù)使用，甚至在地震發(fā)生時(shí)導(dǎo)致建筑物整體傾覆。因此在高層建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)做到剛?cè)嵯酀?jì)，即建筑物在地震過程中要達(dá)到既能滿足變形要求又能有效減小地震力的雙重目標(biāo)。

2. 多道設(shè)防。由于每次強(qiáng)震之后都會伴隨多次余震，因此在建筑物的抗震設(shè)計(jì)中若只有一道設(shè)防，則其在余震來臨時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)將因損傷積累而倒塌。因此，建筑物的抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，在地震發(fā)生時(shí)由具有較好延性的結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同工作來抵擋地震作用。

三、高層建筑的抗震方法及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 地基選擇。建筑地基應(yīng)選擇位于開闊平坦地帶的堅(jiān)硬土場地或密實(shí)均勻的中硬土場地，但不得同時(shí)跨在兩類土壤上，不得采用振陷土作天然地基。同時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離河岸，避開不利地形、避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險(xiǎn)地段建造房屋。

2. 恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料。從抗震角度來說，結(jié)構(gòu)體系的抗震等級，其實(shí)質(zhì)是在宏觀上控制不同結(jié)構(gòu)的延性要求。這要求我們根據(jù)建設(shè)工程的各方面條件，選擇既符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)類別。按此標(biāo)準(zhǔn)衡量，使用不同材料的集中結(jié)構(gòu)類型，依其抗震延性性能優(yōu)劣的順序是：鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、配筋砌體結(jié)構(gòu)。

3. 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。建筑物尤其是高層建筑物設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念的設(shè)計(jì)要求，對建筑進(jìn)行合理的布局，大地震災(zāi)害表明，平立面簡單且對稱的結(jié)構(gòu)類型建筑物在地震時(shí)具有較好的抗震性能，因?yàn)樵摲N結(jié)構(gòu)建筑容易估算出其地震反映，便于采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行細(xì)部處理。建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性是指對建筑物對立面外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件布置、承載力分布等多方面因素的要求。建筑物F面應(yīng)對稱均勻、結(jié)構(gòu)剛度較大，質(zhì)量沿建筑物豎向變化均勻，同時(shí)應(yīng)保證建筑物有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響，并應(yīng)盡量使建筑物在豎向上的重力荷載受力均勻，以減少結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和碴向構(gòu)件間的差異變形對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

4. 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。

（1）電梯及其他開洞的樓屋面布置應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。對高層鋼筋混凝土房屋，電梯及其他開洞應(yīng)盡量居中，不允許電梯及其他開洞靠邊，破壞樓板周邊的連續(xù)性，邊部樓屋面板寬度應(yīng)不小于2m，開洞后剩余樓屋面板的總寬度應(yīng)不少于5m，并應(yīng)加強(qiáng)開洞后剩余樓屋面板的厚度及配筋。當(dāng)滿足不了上述條件時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充附加構(gòu)件，保證樓屋面板在周邊的連續(xù)性。

（2）補(bǔ)充附加構(gòu)件，加強(qiáng)復(fù)雜平面高層建筑的整體性。井字形高層建筑，需另加拉梁和外挑板，錯(cuò)疊平面加斜角板，陰角樓板加斜筋，連體建筑應(yīng)加強(qiáng)連接部位。

（3）加強(qiáng)屋面的整體性。屋面結(jié)構(gòu)在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑中十分重要，屋面一旦破壞，結(jié)構(gòu)就有可能散架，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)就會失去整體性，故應(yīng)加強(qiáng)屋面的整體性。對于高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋，屋面板厚度不應(yīng)小于140～150mm，并應(yīng)配備雙向雙層鋼筋網(wǎng)，配筋率不小于0.25%～0.30%。

（4）加強(qiáng)構(gòu)件間連接的可靠性。構(gòu)件之間的連接在地震時(shí)一旦遭受破壞，建筑結(jié)構(gòu)就會失去整體性，故必須加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的連接，使連接處的強(qiáng)度高于構(gòu)件強(qiáng)度。應(yīng)盡量采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不用或少用裝配式結(jié)構(gòu)；應(yīng)加強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)及梁與柱、樓板與梁、樓板與剪力墻之間的連接與錨固。

四、建筑隔振的其他措施

支撐鋼框架體系是一種理想的抗側(cè)力體系，是在框架體系中的某一跨或某幾跨間，沿框架豎向設(shè)置由框架梁、柱和支撐斜桿共同構(gòu)成的支撐桁架，與鋼框架一起共同承擔(dān)側(cè)向荷載，形成兩道抗側(cè)力防線：第一道防線是豎向支撐，第二道防線是框架。常見的鋼框架支撐體系有：框架中心支撐體系和框架偏心支撐體系。

1. 框架中心支撐體系。中心支撐具有較大的側(cè)向剛度，在提高結(jié)構(gòu)整體剛度、抗震性能方面能起到一定作用，尤其是在多層鋼結(jié)構(gòu)中，以其設(shè)計(jì)簡單、施工方便的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。但在水平地震作用下，中心支撐容易產(chǎn)生側(cè)向屈曲，尤其是在往復(fù)的水平地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)入彈塑性范圍時(shí)，樓層的抗剪能力和結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度會急劇下降，層間側(cè)移不斷增大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

2. 框架偏心支撐體系。偏心支撐框架在彈性階段的剛度接近中心支撐框架，彈塑性階段的延性和耗能能力接近延性框架，是一種高效的鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)體系，尤其是在高層結(jié)構(gòu)中，能夠充分發(fā)揮其耗能梁段屈曲耗能的優(yōu)點(diǎn)。

五、結(jié)論與建議

多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震非常重要，必須全面考慮地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)的材料和變形以及非結(jié)構(gòu)附件等方面，因而多高層建筑的抗震研究必將推動(dòng)和健全建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范和設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。