高層混凝土建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

王嘉峰

沈陽原構(gòu)設(shè)計咨詢有限公司 遼寧 沈陽 110000

1 引言

建筑行業(yè)快速發(fā)展，為適應(yīng)多樣化的建筑功能需求，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜多樣。除傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等基本形式外，超高層建筑、復(fù)雜高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)高層建筑、型鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)高層建筑得到越來越廣泛的應(yīng)用。建筑高度的增加和布置的不規(guī)則性給結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計帶來更多復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，有必要進(jìn)行更系統(tǒng)深入的研究。

2 建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究的關(guān)鍵意義

從目前情況來看，地震是人們平時生活中最常發(fā)生的自然災(zāi)害之一，同時地震災(zāi)害產(chǎn)生以后的危害性、破壞性非常大，并且也具備了很強(qiáng)的不可預(yù)估性。因此，一經(jīng)發(fā)生地震，影響程度將特別大，倘若人們居住的建筑沒有抗震能力，就會危及民眾的個人安全以及財產(chǎn)安全。可見，建設(shè)物本身的抗震能力具有了特別關(guān)鍵的作用。在很早以前，我國在對建筑結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)方面就提出了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的準(zhǔn)則，所以大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計人員都意識到了建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的重要性，并且按相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，以保證建筑抗震能力得到顯著的提升，繼而保障建設(shè)物的整體安全穩(wěn)固性，這樣就能最大程度上降低地震對民眾生命財產(chǎn)安全的影響程度。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的責(zé)任重大，如何使建筑在地震來臨時發(fā)揮出應(yīng)有的抗震能力，保證人民生命安全與財產(chǎn)安全是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計人員需要重點研究的內(nèi)容。

3 高層建筑受力特性

3.1 荷載作用 由于建筑物嵌固部位位于地面或地面以下，在分析水平作用下的力學(xué)性能時，可以近似將建筑物整體看成嵌固于地面的懸臂結(jié)構(gòu)，水平作用的彎矩和變形效應(yīng)將隨建筑物高寬比的增大而顯著加大。對于高度較低的單層、多層建筑，水平荷載效應(yīng)較小，主要考慮豎向作用影響。對于高層建筑，隨著房屋高度增大，風(fēng)荷載、水平地震作用成為結(jié)構(gòu)受力分析應(yīng)考慮的主要因素。對于高層建筑中大跨度、長懸臂、連接體、懸挑等結(jié)構(gòu)、帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑以及高抗震設(shè)防烈度地區(qū)的高層建筑，還應(yīng)充分考慮豎向地震作用影響。

3.2 幾何非線性 高層建筑的幾何非線性主要指P-Δ重力二階效應(yīng)。建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生側(cè)移，使作用在結(jié)構(gòu)上的重力荷載產(chǎn)生偏心，從而形成附加彎矩作用和彎曲變形，給結(jié)構(gòu)受力帶來不利影響。同等水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)剛度越小，產(chǎn)生側(cè)移越大，同時結(jié)構(gòu)自重越大，偏心彎矩也隨之越大。因此結(jié)構(gòu)的剛重比是控制P-Δ效應(yīng)的主要指標(biāo)，當(dāng)剛重比小于一定值時，就必須考慮幾何非線性性的不利影響。考慮二階效應(yīng)時，應(yīng)區(qū)分結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)，對于剪切型變形結(jié)構(gòu)(如框架結(jié)構(gòu))應(yīng)分層計算PΔ效應(yīng)影響，而對于彎剪型變形結(jié)構(gòu)(如剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等)應(yīng)整體計算結(jié)構(gòu)的P-Δ效應(yīng)影響。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重點

4.1 抗震結(jié)構(gòu)材料的選擇要求 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計在材料上的選擇需要綜合考慮選建筑成本、結(jié)構(gòu)剛度、延性、強(qiáng)度等因素。常用建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要求為:(1)為滿足抗震設(shè)計的要求，砌體結(jié)構(gòu)需要按照規(guī)范規(guī)定設(shè)置保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的圈梁與構(gòu)造柱；(2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要對抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸有合理的選擇，并且保證相應(yīng)的配筋率，不能少筋多筋。使結(jié)構(gòu)發(fā)生的剪切破壞與脆性破壞；(3)大跨度結(jié)構(gòu)下選擇預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范要求進(jìn)行計算，并按計算結(jié)果配置預(yù)應(yīng)力鋼筋。

4.2 抗震等級的確定 建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級，是保證抗震措施的重要參數(shù)，因此，正確地確定抗震等級，才能保證建筑抗震能力?？蚣芙Y(jié)構(gòu)、抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震等級按規(guī)范表格直接確定，而框剪結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值確定相應(yīng)的抗震等級，當(dāng)比值小于等于10%時，剪力墻部分抗震等級按剪力墻結(jié)構(gòu)，框架部分抗震等級按框剪結(jié)構(gòu)；當(dāng)比值大于10%但小于等于50%時，按框剪結(jié)構(gòu)確定抗震等級；當(dāng)比值大于50%時，框架部分抗震等級按框架結(jié)構(gòu)，剪力墻部分抗震等級按框架結(jié)構(gòu)。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震計算 進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震驗算，是目前保證建筑抗震能力的最主要的手段之一，也是我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時接觸最多的內(nèi)容。進(jìn)行抗震驗算之前，先要通過建筑所處地理位置，查區(qū)劃圖或者《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》確定地震動參數(shù)。一般情況下，我們只需要驗算水平地震作用，但當(dāng)遇到大跨度、長懸挑等結(jié)構(gòu)形式時，要注意驗算豎向地震作用。隨著建筑規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度也明顯增加，結(jié)構(gòu)抗震計驗算已基本通過結(jié)構(gòu)分析軟件來進(jìn)行，比如國內(nèi)常用的PKPM、YJK。通過抗震驗算，我們可以得到地震作用下建筑的變形、構(gòu)件的內(nèi)力等結(jié)果和數(shù)據(jù)。通過對結(jié)果和數(shù)據(jù)的分析，反過來調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，從而使建筑的變形、構(gòu)件的內(nèi)力滿足規(guī)范限值要求，完成抗震計算。由此可知，結(jié)構(gòu)抗震驗算，是一項需要反復(fù)試算、推敲、調(diào)整，從而選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)布置的過程，通過這個過程，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要工作基本完成。

5 結(jié)束語

高層建筑是現(xiàn)代化城市發(fā)展的主要載體之一，成為諸多城市的地標(biāo)性建筑。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加劇，為滿足人們對建筑美觀、舒適等多樣化需求，圍繞高層建筑的理論研究、分析設(shè)計和建造實踐正在不斷發(fā)展完善。高層建筑的結(jié)構(gòu)理論分析和設(shè)計實踐在目前相對成熟的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，還有很多方面值得深入研究和創(chuàng)新發(fā)展。