淺談高層建筑的抗震設(shè)計

文/倪楠 吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 吉林 長春 130012

淺談高層建筑的抗震設(shè)計

文/倪楠 吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 吉林 長春 130012

分析了現(xiàn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題，并對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提出了幾點(diǎn)看法。

高層建筑；抗震設(shè)計；抗震設(shè)防烈度；彈塑性動力分析；彈塑性靜力分析

1　引言

自世界上第一幢高層建筑——美國芝加哥家庭保險公司建設(shè)以來，至今已有130多年的歷史。高層建筑不僅在結(jié)構(gòu)型式和用料上多樣化，并且在建筑高度上也大幅度提高。中國處于地震多發(fā)帶，抗震設(shè)防是工程設(shè)計必須解決的問題，因而高層建筑抗震設(shè)計處于非常重要的地位。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要內(nèi)容

2010年版抗震規(guī)范規(guī)定高層建筑的抗震計算是在多遇地震作用下， 地震作用按反應(yīng)譜理論計算， 計算內(nèi)力及位移用彈性方法， 構(gòu)件設(shè)計用極限狀態(tài)方法。有特殊要求或重要的建筑，用時程分析法補(bǔ)充計算，并進(jìn)行大震作用下的變形驗算。要求彈塑性計算，對于提高高層建筑的抗震設(shè)計水平是十分有益的。高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析可分為彈塑性動力分析和彈塑性靜力分析兩種。

彈塑性動力分析，采用層模型和桿模型等簡化的結(jié)構(gòu)計算模型， 直接輸入地震波，考慮彈塑性性能，依據(jù)彈塑性恢復(fù)特性建立動力方程，用逐步積分直接求出地震過程中加速度、速度和位移的時程變化，能夠描述結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下，在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐步開裂、構(gòu)件屈服、損壞直至倒塌的全過程。

彈塑性時程分析，要求設(shè)計人員有高水平的專業(yè)知識，計算結(jié)果受地震波的影響大。一些專家提出彈塑性靜力分析方法進(jìn)行抗震分析。彈塑性靜力分析采用空間協(xié)同平面結(jié)構(gòu)模型或三維空間模型；梁、柱、墻根據(jù)其截面尺寸、配筋及材料確定其彈塑性力—變形關(guān)系；在結(jié)構(gòu)上施加荷載；隨著荷載逐步增大，桿端屈服，出現(xiàn)塑性鉸，直到塑性鉸足夠多或?qū)娱g位移角足夠大，計算結(jié)束。這種方法可以知道結(jié)構(gòu)中每個構(gòu)件的內(nèi)力和承載力之間的關(guān)系以及各桿件承載力間的關(guān)系，得出是否符合強(qiáng)剪弱彎 （或強(qiáng)柱弱梁），并可發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，還可得到不同受力階段的側(cè)移變形，給出底部剪力—頂點(diǎn)側(cè)移關(guān)系曲線以及層剪力—層間變形關(guān)系曲線等等。

3　高層建筑抗震設(shè)計的問題

3.1抗震設(shè)防依據(jù)和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的問題

1）設(shè)計文件中沒有提供設(shè)防烈度和建筑物抗震設(shè)防類別的現(xiàn)象較普遍，到底是按什么抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)防，不清楚。

2）有的工程雖然提供了設(shè)防烈度，但是勘察報告與設(shè)計文件不一致。

3）設(shè)防烈度和建筑物抗震設(shè)防類別錯誤。

3.2地基和基礎(chǔ)的設(shè)計問題

1）場地地質(zhì)勘察不符合抗震要求。

2）場址選擇中，場地的地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)和地形沒有完全勘察清楚。

3）地基處理中，對沙土、粉土液化，巖土邊坡穩(wěn)定，軟弱粘性土震陷的判別及處理措施不力。

4）基礎(chǔ)設(shè)計偏于保守，造成浪費(fèi)。

3.3結(jié)構(gòu)布局不合理。

3.4抗震構(gòu)造不滿足抗震的要求。

4　高層建筑抗震設(shè)計的趨勢

4.1錯開地震動卓越周期

場地的地面運(yùn)動，均存在著一個破壞性最強(qiáng)的主振周期，如果建筑物的結(jié)構(gòu)自振周期與這個卓越周期相等或相近，建筑物的破壞程度就會加重，反之則會減少。

從近年的因地震倒塌建筑物中可以看出，建筑結(jié)構(gòu)周期與地震動卓越周期相接近，是引起建筑共振破壞的主要因素和直接原因。進(jìn)行高層建筑設(shè)計時，首先要估計地震引起該建筑所在場地的地震動卓越周期；然后，確定建筑方案時，通過改變房屋層數(shù)和結(jié)構(gòu)類型，盡量加大建筑物基本周期與地震動卓越周期的差距。

4.2、采取基礎(chǔ)隔震措施

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計是依靠結(jié)構(gòu)的變形能力和承載力，來抵抗地震能量，使建筑免于破壞。地震對建筑的破壞作用，是由于地面運(yùn)動激發(fā)起建筑的強(qiáng)烈振動所造成的，也就是說，破壞能量來自地面，通過基礎(chǔ)向上部結(jié)構(gòu)傳遞。人們總結(jié)地震經(jīng)驗后發(fā)現(xiàn)，地震時結(jié)構(gòu)底部的有限滑動，能大幅度地減輕上部結(jié)構(gòu)的破壞程度?？萍颊撐摹?/p>

基于可動概念的基礎(chǔ)隔震方案很多，主要有：（1）軟墊式隔震。在房屋底部設(shè)置若干個帶鉛芯的鋼板橡膠隔振裝置，使整個房屋坐落在軟墊層上，遭遇地震時，樓房底面與地面之間產(chǎn)生相對水平位移，房屋自振周期加長，主要變形都發(fā)生在軟墊塊處，上部結(jié)構(gòu)層間側(cè)移變得很小，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)免遭破壞。（2）滑移式隔震。在房屋基礎(chǔ)底面處設(shè)置鋼珠、鋼球、石墨、砂粒等材料形成的滑移層或滾動層，使建筑物遇地震時在該處發(fā)生較大位移的滑動，達(dá)到隔震目的。（3）擺動式隔震?？萍颊撐?。擺動式隔震方式實質(zhì)上是柔性底層概念的改進(jìn)和引伸。（4）懸吊式隔震。這一隔震方式的構(gòu)思是，將整個建筑懸吊在支架下面，避免地震的直接沖擊，從而大幅度較小建筑物所受到的地震慣力。

4.3、提高結(jié)構(gòu)阻尼

為了提高結(jié)構(gòu)阻尼，可以在結(jié)構(gòu)上設(shè)置阻尼器，以吸收地震輸入的能量，減小結(jié)構(gòu)變形。

結(jié)束語

目前，建筑業(yè)發(fā)展迅速，高層建筑也不斷增加，對建筑的抗震設(shè)計的要求越來越高。建筑的抗震設(shè)計方案要根據(jù)建筑物體型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載性質(zhì)和地質(zhì)條件等綜合分析。

〔1〕王全鳳.高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的進(jìn)展，力學(xué)與實踐，1994，Vo l.16，No.2，P10.

〔2〕方鄂華，錢稼茹.我國高層建筑抗震設(shè)計的若干問題，土木工程學(xué)報，1999，Vol.32，No.1，P3.

〔3〕喻永聲，鐘萬勰.復(fù)雜高層建筑整體結(jié)構(gòu)抗震分析，建筑結(jié)構(gòu)，1998，No，2，P3.

〔4〕包世華，方鄂華，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計（第二版），清華大學(xué)出版社，1990.22福建建設(shè)科技2002.NO.1