高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法分析

肖湘　宋水蘭

摘要：隨著建筑事業(yè)的飛速發(fā)展及城市建設(shè)用地的局限性，高層建筑的設(shè)計在城市的建設(shè)中占了主導(dǎo)地位。目前，高層建筑設(shè)計具有層數(shù)和高度不斷增加、體型和平面布置日趨復(fù)雜的特點。而地震等自然災(zāi)害嚴重影響了建筑的安全性能，因此，如何對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高其抗震性能，是建筑設(shè)計中所要研究的重點之一。本文介紹了幾種高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計；高層建筑；措施；分析方法

1.前言

由于城市人口的發(fā)展，為了節(jié)約用地，更好地利用空間，往往在建筑設(shè)計時首先考慮高層建筑，從而高層建筑有了飛速的發(fā)展，高層建筑的發(fā)展趨勢是高度越來越增加，體型和平面日趨復(fù)雜。由于高層建筑又坐落在不同的地域，加上地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，高層建筑很容易受到地震等自然災(zāi)害的損害，地震發(fā)生具有很大的隨機性，破壞后果嚴重。而高層建筑抗震設(shè)計方法研究目前還不十分成熟，僅僅依據(jù)微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)，沒有充分考慮高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的阻尼變化、材料時效、非彈性性質(zhì)以及空間作用等其他相關(guān)因素，很難在結(jié)構(gòu)上提高高層建筑的抗震能力。為了降低在遭遇地震時的經(jīng)濟和人力損失，因此，對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法研究具有很大的必要性。

2.地震對高層建筑的作用影響分析

2.1對高層建筑構(gòu)件形式方面

（1）在高層建筑的框架結(jié)構(gòu)中，通常地震對板和梁的破壞程度輕于柱；

（2）地震作用經(jīng)常在多肢剪力墻（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的窗下引起交叉斜向的裂縫；

（3）如果混凝土柱配置螺旋箍筋，即使地震引起較大的層問位移，對柱以及核心混凝土作用并不明顯；

（4）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，如長、短柱并用于同一樓層，長柱受損害較輕。

2.2對高層建筑結(jié)構(gòu)體系方面

（1）對于鋼筋混凝土柱、板體系的高層建筑，各層樓板因樓層柱腳破壞或者側(cè)移過大以及樓板沖切等因素而在地面墜落重疊；

（2）對于“填墻框架”體系的高層建筑，由于受窗下墻的約束，因而容易發(fā)生外墻框架柱在窗洞處短柱型剪切現(xiàn)象；

（3）對于“填墻框架”體系的高層建筑，地震對采用敞開式框架問未砌磚墻的底層破壞嚴重；

（4）對于框架一抗震墻體系的高層建筑，地震損害不大；

（5）對于“底框結(jié)構(gòu)”體系的高層建筑，地震嚴重破壞剛度柔弱的底層。

2.3對高層建筑地基方面

（1）如果地基自振周期與高層建筑結(jié)構(gòu)的基本周期相同或相近，地震作用因共振效應(yīng)而增加；

（2）如果高層建筑處在危險和地形不利的區(qū)域，則容易使高層建筑因地基破壞而受損；

（3）地基處地質(zhì)不均勻，在地震作用下容易使上部結(jié)構(gòu)傾斜甚至倒塌；

（4）若高層建筑的地基處有較厚的軟弱沖積土層，則地震作用對高層建筑的損害顯著增大。

2.4對高層建筑剛度分布方面

（1）對于采用L形以及三角形等平面不對稱的高層建筑，地震作用能夠使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，因而損害現(xiàn)象嚴重；

（2）對于采用矩形平面布置的高層建筑結(jié)構(gòu)，如果該建筑的抗側(cè)力構(gòu)件（如電梯井等）布置存在偏心情況時時，同樣會使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。

3.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法分析

3.1靜力法

如果以F作為地震作用于建筑設(shè)施的力，以M表示建筑物的重量，以R表示地震震度，則有以下公式：

F=R×M （1）

這種以“震度”表示地震尺度的想法，在1924年（日本關(guān)東發(fā)生大地震后第二年）被納入日本的建筑工程相關(guān)的技術(shù)規(guī)范中，當(dāng)時，人們已經(jīng)意識到房屋的重量是影響地震破壞能力的一個極為重要的因素。在當(dāng)時的條件下人們認為為建筑重量10%的水平力大約地震慣性力相當(dāng)。在當(dāng)時還假定：建筑結(jié)構(gòu)的承載能力大小決定了房屋的抗震能力大??；地震力與建筑地基以及結(jié)構(gòu)的實際特性等因素?zé)o關(guān)。

3.2反應(yīng)譜法

美國在1933年長灘發(fā)生大地震以及在1940年ELcentro發(fā)生大地震時。均取得了強震加速度記錄。美國的一些相關(guān)研究者依據(jù)建筑物自振特性資料以及這些強震記錄提出了著名的地震反應(yīng)譜理論，具有非常重要的現(xiàn)實意義。近些年來，我國在抗震設(shè)計領(lǐng)域也取得了較大的進展，逐漸形成了科學(xué)合理而又普遍適用的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。大部分的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范都是根據(jù)結(jié)構(gòu)能力以及反應(yīng)譜理論建立起來的。

3.3彈性動力時程法

彈性動力時程分析法抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理是，根據(jù)地震烈度、高層建筑場地類別以及設(shè)計分組的判斷，然后選用合適數(shù)量的地震地面運動加速度的記錄，對其積分然后求解運動方程，最終計算出在模擬的地震中建筑的加速度、速度以及位移的響應(yīng)，進行抗震設(shè)計。高層建筑運動方程是獨立的，我們要計算各個時刻的結(jié)構(gòu)反應(yīng)只需用到數(shù)值方法求解。

3.4靜力彈塑性法

靜力彈塑性分析方法的原理為計算現(xiàn)有設(shè)計方案的抗側(cè)力能力，進而估計出其抗震能力，其具體方法為：根據(jù)房屋的具體情況在房屋上施加某種分布的水平力，逐漸增加水平力使結(jié)構(gòu)各構(gòu)件依次進入塑性，調(diào)整水平力的分布和大小，直到結(jié)構(gòu)達到位移超限。其優(yōu)點在于：據(jù)結(jié)構(gòu)的振型變化可以求得水平力的分布，根據(jù)結(jié)構(gòu)在不同工作階段的周期通過設(shè)計反應(yīng)譜可以求得水平力的大小。

3.5動力彈塑性分析法

我們以{y}，{y'}，{y''}分別表示運動的水平位移和速度以及加速度，以y_g表示地面運動水平加速度，則在多自由度系統(tǒng)中，在地面運動作用下的振動方程可以用以下公式表示：

[M]{y''}+[C]{y'}+[K]{y}=-[M]{L}y_g（2）

采用各種手段劃分由強震記錄的水平方向上的時間一加速度曲線，將其分為一系列極小的時間段，運用震動方程對對每一個時段方程進行積分求解，可求得每個時間段內(nèi)體系的加速度、速度以及位移，最終可計算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

4.建筑結(jié)構(gòu)抗震方法的比較

地震是一種破壞性嚴重的自然現(xiàn)象，其三要素分別為：幅值、持時與頻譜特征。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方案應(yīng)體現(xiàn)地震動特性和結(jié)構(gòu)特性，所考慮的地震作用應(yīng)在在地震作用下最大程度地反映結(jié)構(gòu)的真實響應(yīng)。表1為抗震設(shè)計方法反應(yīng)結(jié)構(gòu)特性以及地震動特性的具體情況對比。

5.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析

某高層建筑，地下3層，地上28層，總建筑面積約6萬m²。其中，7～28層為住宅區(qū)；第6層作為空中花園以及設(shè)備轉(zhuǎn)換層；4～5層為辦公用區(qū)域；1～3層為商場樓層；地下3層作為設(shè)備用房和車庫；第7層樓蓋作為高層建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。高層建筑總高度（地面以上）為90.4m。該高層建筑以鋼筋混凝土框架剪力墻作為工程主體，柱截面面積為700×1100m²、800×1100m²，墻厚2-4m，板厚為：轉(zhuǎn)換層1.8m、天面1.2m、住宅1m、裙樓1.1m，梁截面面積為190×400-240×600m²。轉(zhuǎn)換層框支梁為400×1300-500×1500m²。該高層建筑要求Ⅶ度的防烈度；建筑設(shè)防類別為丙類；設(shè)計第1組為地震分組。預(yù)期的抗震等級為：8層以上為二級；1-8層為一級；6層以下普通框架為一級；框支框架為特一級。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，本工程設(shè)計中有四項不合理，具體為：

5.1扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

在考慮各種因素的情況下，樓層豎向構(gòu)件的水平位移最大應(yīng)小于等于該樓層平均值的1.2倍，而在本高層建筑中此比值最大為1.32，大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

5.2凹凸不規(guī)則

在該高層建筑中，平面最大凸出部位凸出尺寸為L=17.24m，B_max=41.20m，L與B_max之比為41.84%，而規(guī)范要求的此值為35%。

5.3樓板局部不連續(xù)

塔樓部分樓層電梯間局部樓板最小凈寬3m，相關(guān)的建筑規(guī)范規(guī)定此值為5m。

5.4豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)

塔樓剪力墻通過轉(zhuǎn)換梁向框支柱傳遞，屬豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。

5.5解決措施

具體到本高層建筑，在進行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時為了滿足相關(guān)規(guī)范的要求，需要采取的措施如下：

（1）加強剪力墻底部部位。

（2）根據(jù)規(guī)范要求提高框支柱的配筋率。

（3）塔樓樓梯問及周邊樓板厚度增大至1.5m。

（4）轉(zhuǎn)換層板厚度增大至1.8m。

（5）將剪力墻底部加強部位的鋼筋配筋率提高到0.5%。

（6）將剪力墻的底部加強部位以及框支柱等部位的抗震等級均提高一級。

6.結(jié)束語

隨著高層建筑的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計顯得越來越重要。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法和抗震措施在不斷的改進，在對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時要根據(jù)高層建筑的實際情況而選擇科學(xué)合理的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

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收稿日期：2013-4-17

作者簡介：肖湘（1964-），男，高級工程師，從事教學(xué)工作。

宋水蘭（1985-），女，助教，從事教學(xué)工作。