混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉卓清

摘 要：高層混凝土結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力直接關(guān)系著人們的生命安全以及財(cái)產(chǎn)安全，因此，建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高層建筑時(shí)，應(yīng)考慮高層建筑的抗震問題，采取相應(yīng)的安全防患措施，加強(qiáng)對(duì)高層混凝土結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能，不斷通過實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)，從而保障建筑物的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：高層建筑；抗震；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；探析

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑越來越多，混凝土在高層建筑中的應(yīng)用也逐漸廣泛，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，關(guān)乎人們生活的穩(wěn)定和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，本文就對(duì)高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。

2 建筑抗震的理論分析

擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀(jì)10～40年代發(fā)展起來的一種理論，它在估計(jì)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用時(shí)，僅假定結(jié)構(gòu)為剛性，地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心上。地震力的大小當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個(gè)比例常數(shù)（地震系數(shù)）。

反應(yīng)譜理論。反應(yīng)譜理論是在加世紀(jì)40～60年代發(fā)展起來的，它以強(qiáng)地震動(dòng)加速度觀測(cè)記錄的增多和對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)特性的進(jìn)一步了解，以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性的研究為基礎(chǔ)，是加理工學(xué)院的一些研究學(xué)者對(duì)地震動(dòng)加速度記錄的特性進(jìn)行分析后取得的一個(gè)重要成果。

動(dòng)力理論。動(dòng)力理論是20世紀(jì)70-80年廣為應(yīng)用的地震動(dòng)力理論。它的發(fā)展除了基于60年代以來電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展外，人們對(duì)各類結(jié)構(gòu)在地震作用下的線性與非線性反應(yīng)過程有了較多的了解，同時(shí)隨著強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站的不斷增多，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也不斷增多。進(jìn)一步動(dòng)力理論也稱地震時(shí)程分析理論，它把地震作為一個(gè)時(shí)間過程，選擇有代表性的地震動(dòng)加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入，建筑物簡(jiǎn)化為多自由度體系，計(jì)算得到每一時(shí)刻建筑物的地震反應(yīng)，從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

3.1 應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。合理的建筑布置在抗震設(shè)計(jì)中是頭等重要的，提倡平、立面簡(jiǎn)單對(duì)稱。因?yàn)檎鸷Ρ砻?，?duì)稱建筑在地震時(shí)較不容易破壞，容易估計(jì)出其地震反應(yīng)，宜于采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造進(jìn)行細(xì)部處理。

3.2 抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持的措施和原則

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（墻）”的原則。對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

3.3 抗震措施

在滿足抗震設(shè)防要求的高層建筑除應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求外，還要滿足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大，所以對(duì)于高層建筑的底層柱，隨著建筑物高度的增加，其所承擔(dān)的軸力不斷增加，而抗震設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求，在層高一定的情況下，提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內(nèi)而不能過大，這樣則必然導(dǎo)致柱截面的增大，從而形成短柱，甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒有延性，在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。

4 提高高層建筑抗震設(shè)計(jì)的措施

4.1 選擇具有抗震效果的建筑材料

建筑材料的選擇對(duì)建筑抗震效果也有一定的影響，隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有抗震功能的新材料不斷面世，在建筑行業(yè)也受到廣大設(shè)計(jì)者的青睞，在建筑時(shí)盡量采用框架剪力墻的結(jié)構(gòu)，以鋼結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行建設(shè)，在宏觀上提高了建筑的剛性和延性，有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)相比于目前采用的混凝土結(jié)構(gòu)，遇有更高的強(qiáng)度和韌性，在重量比上也要優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，具有更好的抗震性能。

4.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線

當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。

4.3 客觀考慮位移問題

對(duì)于我國(guó)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，大多以承載力作為重要的基礎(chǔ)，而設(shè)計(jì)人員則采取線彈性方法，對(duì)小幅度震動(dòng)情況下的結(jié)構(gòu)變形力、內(nèi)力等進(jìn)行分析，采取組合內(nèi)力方法，對(duì)構(gòu)件的截面進(jìn)行驗(yàn)證，以此確保結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性。另外，為了更好地針對(duì)基礎(chǔ)位移狀況實(shí)行抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)該充分了解結(jié)構(gòu)變形情況和配筋之間的關(guān)系，有針對(duì)性地采取設(shè)計(jì)方法，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入到抗震階段后，對(duì)其變形力進(jìn)行細(xì)致分析與探討。

4.4 減少地震時(shí)能量的輸入

在具體的設(shè)計(jì)中，采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，對(duì)具體的方案進(jìn)行定量的分析，使結(jié)構(gòu)的變形能力能夠滿足預(yù)期地震作用下的變形需求。在驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的承載力之外，還要對(duì)結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角限值或位移延性比進(jìn)行控制；根據(jù)建筑構(gòu)件的變形和建筑結(jié)構(gòu)的位移之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的變形值；根據(jù)建筑截面的應(yīng)變大小和應(yīng)變分布，來確定建筑構(gòu)件的構(gòu)造需求。

4.5 抗側(cè)力體形的優(yōu)化

對(duì)一般性構(gòu)造的高樓，剛比柔好，采用剛性結(jié)構(gòu)方案的高樓，不僅主體結(jié)構(gòu)破壞輕，而且由于地震時(shí)的結(jié)構(gòu)變形小，隔墻，圍護(hù)墻等非結(jié)構(gòu)部件將得到保護(hù)，破壞也會(huì)減輕。提高結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，在地震時(shí)能夠出現(xiàn)的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結(jié)構(gòu)就愈能經(jīng)受住較強(qiáng)地震而不倒塌。改善結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制，使結(jié)構(gòu)破壞十按照整體屈服機(jī)制進(jìn)行，而不是樓層屈服機(jī)制。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)遵循強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)壓弱拉的原則。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選定構(gòu)件中軸力小的水平桿件，作為主要耗能桿件，并盡可能使其發(fā)生彎曲耗能。

4.6 豎向布置力求均勻

結(jié)構(gòu)豎向布置均勻，可以最大限度的使其豎向剛度、強(qiáng)度變化均勻，這樣可以有效的避免出現(xiàn)薄弱層。從建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)看，臨街的建筑物，往往會(huì)因?yàn)樯虡I(yè)的需要，底部幾層有大空間的設(shè)置。非臨街的建筑物，底部也可能門廳、餐廳或停車場(chǎng)，而出現(xiàn)大空間。在這種結(jié)構(gòu)中，上部的鋼筋混凝土抗震墻或豎向支撐或砌體墻體到此被中止，而下部須采取框架體系。也就是說，上部各層為全墻體系或框架抗震墻體系，而底層或底部?jī)扇龑觿t為框架體系，整個(gè)結(jié)構(gòu)屬“框托墻”體系。

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