高層建筑樁基抗震分析與應用

【摘要】近年來，我國高層建筑的數(shù)量日益增多，建筑需求的多樣化促使建筑設計不斷翻新，各種體型復雜、內(nèi)部空間多變的復雜高層建筑大量涌現(xiàn)。研究高層建筑抗震設計問題，是當前面臨的一個重要問題。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，主要針對高層建筑樁基抗震分析以及應用進行討論。

【關鍵詞】高層建筑；樁基結構；抗震分析；應用

在高層建筑結構中，抗震設計占據(jù)了極為重要的位置，而高層建筑結構又在抗震方面尤為重視。高層建筑的結構體系是隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步而不斷發(fā)展的隨著經(jīng)濟水平的增反和高層結構的增多，結構抗震分析和設計已經(jīng)變得越來越重要。

1、高層建筑抗震設計的重要性

地震是一種隨機振動，有難于把握的復雜性和不確定性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前尚難做到。在結構分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、結構材料的非彈性性質、材料時效等多種因素，同時也存在著不準確性。因此，工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決，而必須立足于“概念設計”。概念設計是指設計人員從結構的宏觀整體出發(fā)，用結構系統(tǒng)的觀點，著眼于結構整體反應，正確地解決總體方案、材料使用、分析計算、截面設計和細部構造等問題，力求得到最為經(jīng)濟、合理的結構設計方案以達到合理抗震設計的目地。結構抗震概念設計的目標是使整體結構能發(fā)揮耗散地震能量的作用，避免結構出現(xiàn)敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果僅集中在少數(shù)薄弱部位，必會導致結構過早破壞，目前各種抗震設計方法的前提之一就是假定整個結構能發(fā)揮耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震作用進行結構計算、構件截面設計并輔以相應的構造措施，必要時采用彈性時程分析法進行補充計算，試圖達到罕遇地震作用下結構不倒塌的目標。

2、高層建筑結構抗震設計特點

樁基礎是人類在軟弱地基上建造建筑物的一種創(chuàng)造，是最古老、最基本的基礎類型。隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市中各類高層建筑拔地而起，作為高層的基礎部分往往在整個建筑物投資中占據(jù)了很大的比例。

2.1水平荷載和側移因素

高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構，樓面使用和樓面自重等垂直荷載主要使結構產(chǎn)生軸向力，并且與建筑物高度大致為線性關系，水平荷載使結構產(chǎn)生彎矩，并且水平荷載可以來自任何方向，當為均布荷載時，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從變形看，豎向荷載引起的側移很小，而水平荷載當為均布荷載時，側移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結構中，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，因此水平荷載是結構設計的控制因素。

2.2結構變形不容忽視

建筑整體結構變形程度對于整個建筑的抗震能力具有直接的影響。在發(fā)生地震的過程當中，建筑在水平地震力的作用下出現(xiàn)側移，從而導致建筑結構發(fā)生變形，導致破壞的產(chǎn)生。因此應該充分的考察高層建筑的結構類型，然后有針對性的采取相應的措施來減少建筑機構在地震力作用下出現(xiàn)的變形。在對高層建筑結構的損壞程度進行評估的過程當中，間層側移角度是一個十分重要的指標，而國家對此也進行了相應的規(guī)定。因此應該采取相關的措施來對結構側移情況進行控制，比較常見的方法有：減小框架的柱距和梁距，采用彎-剪雙重抗側力體系，設置剛臂，豎向支撐的交錯布置，變平面構件為立體構件，圍護結構參與抗震，傾斜立面的利用，扭轉體型的應用，雙曲線圓筒的應用，加大房屋等有效寬度。

2.3抗側力體系的優(yōu)化

對一般性構造的高樓，剛比柔好，采用剛性結構方案的高樓，不僅主體結構破壞輕，而且由于地震時的結構變形小，隔墻，圍護墻等非結構部件將得到保護，破壞也會減輕。提高結構的超靜定次數(shù)，在地震時能夠出現(xiàn)的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結構就愈能經(jīng)受住較強地震而不倒塌。設計結構時遵循強節(jié)弱桿、強柱弱梁、強剪弱彎，強壓弱拉的原則。

3、高層建筑樁基抗震技術所存在的問題

在預報地震相對無法實現(xiàn)的情況下，高層建筑采取必要的抗震設防措施，保證建筑物可以做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”，便可以有效地減少地震造成的損失。

3.1高層建筑設計高度過高

隨著社會經(jīng)濟建設水平的不斷發(fā)展，對于修建的施工技能水平也有所推動，而對于有關的修建構造中科學技能而言，可以依照當時國內(nèi)對于高層修建中的構造技能有關規(guī)定而進行，針對必定的修建構造形式，在高層修建中構成一個對比適宜的高度水平。可是就當時在修建高度方面所構成的問題都是由于修建高度方面所構成的，實際施工進程之中，有一些比較高的修建并沒有契合修建高度需求，他們的高度遠遠超過了合適的高度數(shù)值，一旦發(fā)作在修建物高度上的有關問題，就可能會有其他方面中的許多問題發(fā)作，超出許多相應規(guī)范需求， 而資料的延伸功能方面也就徹底發(fā)作變化了。

3.2高層建筑樁基抗震材料選擇不當

對于材料而言，地震對結構作用的大小幾乎與結構的質量成正比。一般說在相同條件下，質量大，地震作用就大，震害程度就大，質量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑物的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻以及屋面構件中，廣泛采用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶?；炷?、加氣混凝土板、空心塑料板材等輕質材料，將能顯著改善建筑物的抗震性能。高層建筑的樁基礎關系著建筑本身的質量安全，如果不能選用合適的材料進行樁基礎建造，那么高層建筑的整體抗震性能會大打折扣。現(xiàn)如今一些建筑商在施工的過程中雖然使用了樁基礎作為地基，但他們在選取樁基礎材料的過程中并沒有選取鋼筋混凝土，而是選取了普通的鋼柱或木柱。這兩種材料與鋼筋混凝土相比缺乏足夠的強度，而且在實際施工的過程中操作難度也較大，如果要想使鋼柱和木柱達到相同的抗震效果，就要使用更多的材料，而一些廠商為了利益往往不會這樣做，這就導致了高層建筑抗震效果的減弱，危害巨大。只有有效地解決高層建筑樁基抗震材料選擇不當?shù)膯栴}，才能把危害和隱患降低到最小。

3.3高層建筑樁基設計承載能力無法滿足實際需求

最后一個問題就是高層建筑樁基的設計承載能力無法滿足實際需求。產(chǎn)生這個問題的原因有兩點，第一點是在施工建造前的實地勘察階段沒有很好地對施工區(qū)域的地質情況進行調查評估，導致設計樁基承載能力較小，不能滿足實際需要。另外一點是因為施工區(qū)域的土壤情況比較復雜，在建造完成之后由于土壤中的水分較大而導致地層不牢固，使樁基的承載能力下降。那么解決這兩個問題的方法就是，在施工之前對施工區(qū)域進行非常詳細的地質調查，當然要包括土壤和地層方面的調查，只有這樣才能保證高層建筑具有良好的抗震性能。

3.4高層建筑軸壓比問題

在當前的高層建筑中，為了達到控制軸壓比的目地而使得柱的截面尺寸偏大，而控制軸壓比是為了讓柱在大偏壓的情況，避免鋼筋在沒有達到屈服極限時混凝土遭到破壞，建筑結構的延性與柱的塑性變形能力關聯(lián)很大，柱的塑性變形能力越大，則建筑結構的延性就越好，一旦發(fā)生地震，吸收和耗散的地震能力少，則建筑結構就很容易遭到破壞。如果梁的延性比較好，那么柱達到屈服極限的可能性也會相應降低，而軸壓比的限制也可以相應的放松。當前有一些學者認為在現(xiàn)行抗震條件下最后采用比較高的軸壓比，實際上，在軸壓比稍微增大的情況下，柱斷面的大小變化不會很明顯。

4、高層建筑樁基抗震分析與應用

我國是一個地震災害比較頻繁的國家，對于高層建筑來說，一旦遭遇地震，往往會遭受巨大的損失。地震是一種隨機振動， 建筑結構設計人員為防止、減少地震給建筑造成的危害， 就需要分析研究建筑抗震問題不斷總結工程經(jīng)驗，妥善處理這一工程問題。

4.1底部剪力分析

底部剪力法是高層樓宇抗震設計中常用的抗震計算簡化方法，是針對規(guī)則的建筑結構體水平方向地震作用效果進行分析的簡化方法。底部剪力法在進行抗震分析時是按照彈性地震反應譜理論為基礎，即建筑結構底部在地震過程中所承受的總地震剪力與等效單質點水平地震作用力是相等的。因此，在進行建筑鋼結構體抗震性能計算分析時，可以利用等效單質點分析模型，確定整個高層樓宇建筑抗震結構體的總水平地震作用力及其沿建筑高度的分布和變化性。利用底部剪力法進行高層樓宇建筑抗震計算分析時，將各層的重力荷載代表值集中于該層樓蓋處，并在簡化計算時樓蓋處每個主軸方向可以僅考慮一個自由度進行抗震計算。

4.2晃動應力與樁頂設計

晃動應力是當?shù)卣鸢l(fā)生時，地層運動造成了樁頂運動而產(chǎn)生的晃動應力，晃動應力會對樁頂結構造成巨大的載荷，很容易破壞樁頂?shù)慕Y構，使得的高層建筑失去樁基的支撐而發(fā)生災害。針對晃動應力的破壞性，在設計樁基的過程中，可以在柔性樁基的基礎上，對樁頂采取加強型樁頂設計，使得的樁頂能夠承受較大的彎矩與剪力，不至于晃動應力直接破壞樁頂。加強樁基的頂部結構，首先要分析樁基頂部受到的晃動應力，當發(fā)生地震時，地層運動會使得的樁基受到縱向的約束力，如果把樁基本身看作剛體的話，受到一個較大的縱向約束力，會使得樁基的產(chǎn)生徑向形變，從而造成樁基的頂部增高，對樁頂造成破壞。因此，對于樁基頂部的加強，可以使用的振動器抽管對樁基頂部灌注混凝土，然后按照樁基的大小，采用4cm管壁厚度的鋼管再次加固，從而使得整個結構材料具有較強的材料，能夠充分應對晃動應力所造成的破壞?；蝿討κ菍Ω愠山ㄖ痘拐鹉芰ν{較大的因素，在建筑高層建筑時必須考慮到晃動應力的破壞性，對樁基頂部采取必要的抗震材料進行加固。

4.3彈性分析及非線性分析

振型分解反應譜法和時程分析法是高層建筑常用的兩種彈性分析方法。彈性分析適用于每個結構構件的需求都小于它的名義強度。彈性分析通常用于\"正常使用水準評價\"。 使用反應譜法分析時，必須有足夠多的振型參與，以便至少讓地震動沿每個主軸輸入建筑物的總質量的90%參與進來。反應時程分析時，構件應驗算保證在分析的每個時間步長內(nèi)，從未乘系數(shù)的重力荷載和地震荷載效應獲得的需求都小于名義抗力。在一個時間步長內(nèi)對于一個給定的作用計算名義抗力時應考慮同時存在的其它作用。

反應譜法不是完全的動力法，地震對結構的作用是一個隨時間變化的過程，反應譜法求出的只是變化過程中的最大值，同時只能用于線彈性結構分析，不適用于非線性結構分析。地震作用產(chǎn)生的強烈響應，往往會使結構進入彈塑性狀態(tài)，需要采用非線性分析，對于倒塌水準一般是非線性分析。非線性分析對于倒塌水準評價是必要的。分析中應考慮二階效應，不需要考慮偶然性扭轉。采用非線性時程分析時，在地震地面運動作用前就必須先行引入建筑物承重結構在重力荷載下的初始應力狀態(tài)。在分析的每個時間步長內(nèi)，應通過驗算保證構件從不乘系數(shù)的重力效應和地震荷載效應得到的需求均小于對應的抗力。延性作用的抗力用構件的變形表達；非延性作用的抗力用力的形式表達。不論哪一類作用，在給定時間步長內(nèi)對一個給定作用（例如彎曲）計算抗力時，都應考慮在該時間步長內(nèi)同時存在的作用（例如軸力與剪力）。

4.4抗震設計中的應注意的問題

對于高層建筑抗震結構的設計，如今仍存在較多的問題以及難點。要最大程度上做好高層建筑抗震結構的設計，需要做到以下幾點：

a.為了提高結構的連續(xù)性以及穩(wěn)定性，在設計中應該合理布置抗測力構件。在設計時，通過改變抗側力構件的位置，形成水平方向上的應力分布系統(tǒng)，同時加強豎直方向上的測力結構性能，形成一套應力分布體系，保證能夠有效的降低建筑由于水平方向的對稱在地震中的破壞程度。

b.通常情況下，地震在同一區(qū)域造成的破壞程度具有差異性，即同一區(qū)域的建筑房屋在地震災害的破壞下，有的建筑物破壞程度不是很嚴重，而有些建筑物破壞程度極為嚴重，造成這一問題的主要原因除了同建筑物體自己的建筑質量有關外，還同建筑場地和建筑規(guī)劃有著必然的聯(lián)系；如建筑物體在建設過程中建筑場地剛好處于地震震中外，地震的破壞能力最強，使得這一區(qū)域的建筑物體受破壞程度最為嚴重。所以在建筑結構工程抗震設計時要針對各個區(qū)域以往發(fā)生地震震級的大小及地震發(fā)生的區(qū)域進行設計，規(guī)劃條件允許的情況下盡可能在選擇建筑場地時候避開地震頻發(fā)區(qū)域。

結語：

隨著我國經(jīng)濟建設的迅猛發(fā)展，高層建筑越來越復雜化，這就要求建筑過程中必須做好高層建筑的抗震設計.地震作用影響因素復雜，目前尚沒有精確的抗震計算方法，規(guī)范給出的計算方法也是半經(jīng)驗半理論的計算，但在樓層的設計中，對于高層建筑的抗震性能設計，已經(jīng)引起人們的高度重視，采用了各種措施來提高高層建筑的抗震性能。

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