基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的影響綜述

王羽鶴

我國(guó)建筑業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，為了提高土地的利用率，建筑物的高度在不斷提升，建筑高度增加的同時(shí)，地震對(duì)其的影響也相應(yīng)地增大了很多。相比傳統(tǒng)的建筑物，高層建筑的抗震性能成為了其整體設(shè)計(jì)的重要方面。因此，為了減小地震作用以及地震效應(yīng)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)其基礎(chǔ)和地基進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)?；A(chǔ)剛度是高層建筑結(jié)構(gòu)的一大重要屬性，對(duì)于其值的設(shè)計(jì)，我們不可能讓其無(wú)限大，并且基礎(chǔ)剛度的退化將導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛度退化，給高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性帶來(lái)許多不利的影響。因此，我們?cè)趯?duì)高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要保證其有合適的剛度，以確保其有足夠剛度的同時(shí)也有很好的承載能力以及穩(wěn)定性。這樣合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不僅能夠提升高層建筑的抗震能力，還能在一定程度上減少成本[1]。

1.基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑抗震能力的影響

增大基礎(chǔ)的剛度，不僅可以提升高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能，還可以使建筑物的穩(wěn)定性增大，使高層建筑結(jié)構(gòu)在地震效應(yīng)下的側(cè)向位移量減小。首先，當(dāng)基礎(chǔ)剛度較弱時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體性會(huì)變差，且其自振頻率也會(huì)相應(yīng)的減小，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，建筑結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)較大的水平位移，且在二階效應(yīng)的作用下，結(jié)構(gòu)受到的彎矩也會(huì)增大，這樣更加不利于建筑結(jié)構(gòu)的受力情況。良好地控制基礎(chǔ)剛度的變化，不僅可以減少建設(shè)所需的成本，還可以提高房屋的安全性。其次，如果在建筑結(jié)構(gòu)整體性中考慮基礎(chǔ)剛度的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力情況會(huì)發(fā)生許多改變，當(dāng)我們對(duì)高層建筑模型進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，我們可以通過(guò)對(duì)比得出結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能發(fā)生變化的位置，并且根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)于那些受力大，整體薄弱的部位進(jìn)行加強(qiáng)，這樣可以有效地提高建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震性能[2]。

對(duì)于高層建筑中的框架結(jié)構(gòu)，我們?cè)诔浞挚紤]基礎(chǔ)剛度后，柱底與柱頂截面表現(xiàn)出不同的能力，柱底截面的彎矩相比原先的計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，但是柱頂截面反而呈現(xiàn)增大的情況，這說(shuō)明了如果我們采用嵌固端的設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致底層柱頂截面更加危險(xiǎn)，反而柱底更加安全，且隨著基礎(chǔ)剛度取值的變化，這種受力特征表現(xiàn)出來(lái)的變化也會(huì)更加明顯。因此，在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該著重于那些結(jié)構(gòu)趨于更加不穩(wěn)定的部位，保證整體結(jié)構(gòu)都滿(mǎn)足抗震的性能。

在地震的作用下，框架結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，且這種變化隨著樓層層數(shù)的增高而逐漸增大，即樓層越高，水平位移越大，對(duì)于那些采用框架結(jié)構(gòu)的高層建筑而言，限制結(jié)構(gòu)的水平位移是保證結(jié)構(gòu)安全的重要指標(biāo)之一。因此我們應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行限制，保證結(jié)構(gòu)不單單滿(mǎn)足位移的要求，還保證了結(jié)構(gòu)有著良好的抗震能力。

2.基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑側(cè)移剛度的影響

在我國(guó)高層建筑的發(fā)展過(guò)程中，雖然建筑建造的體量不斷地加大，但是其剛度卻在不斷地減小。這里說(shuō)的剛度便是指高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度。建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度指的是建筑結(jié)構(gòu)為了抵抗水平方向作用力帶來(lái)的側(cè)向位移所需的剛度。高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向位移主要由兩部分組成，頂部的側(cè)移值主要由高層建筑結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移及結(jié)構(gòu)頂部附加位移兩部分組成，分別是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的平移和扭轉(zhuǎn)；但是這種扭轉(zhuǎn)變形并不是一定在外力的作用下才會(huì)產(chǎn)生，高層建筑結(jié)構(gòu)自身也有產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形的可能性[3]。

基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度有著比較大的影響，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)我們考慮結(jié)構(gòu)的整體剛度時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度會(huì)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)更有可能發(fā)生側(cè)移，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的相對(duì)側(cè)移也會(huì)隨之變大。當(dāng)我們?cè)诳紤]結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)受到負(fù)面的影響。因此在有限基礎(chǔ)剛度的條件下如何有效增大結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度是我們應(yīng)該著重考慮的問(wèn)題。

2.1 彎曲型結(jié)構(gòu)

彎曲變形結(jié)構(gòu)我們往往考慮的是剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)我們對(duì)其有限基礎(chǔ)剛度的影響進(jìn)行分析之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是結(jié)構(gòu)的邊界條件逐步弱化，這也就導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)會(huì)更加容易失穩(wěn)，整體結(jié)構(gòu)便更加容易被破壞。在全面分析條件的基礎(chǔ)上，充分分析基礎(chǔ)剛度的根本影響后，彎曲型剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度也會(huì)逐步呈現(xiàn)減小的現(xiàn)象[4]。

2.2 剪切型結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度

對(duì)于剪切型的結(jié)構(gòu)而言，其失穩(wěn)通常表現(xiàn)為整體樓層失穩(wěn)，基礎(chǔ)剛度對(duì)剪切型結(jié)構(gòu)底層側(cè)移剛度影響更加明顯。在計(jì)算假設(shè)的相關(guān)問(wèn)題上分析，其結(jié)構(gòu)往往會(huì)始終保持在彈性的狀態(tài)之下，當(dāng)我們忽略扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分析的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，一些比較相近的節(jié)點(diǎn)位置上平動(dòng)和轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)出相對(duì)一致性的現(xiàn)象。我們?cè)谟?jì)算的過(guò)程中出現(xiàn)基礎(chǔ)剛度趨于一個(gè)非常大的值的情況時(shí)，這時(shí)我們往往可以忽略基礎(chǔ)受到拉梁時(shí)所產(chǎn)生的影響，讓基礎(chǔ)剛度處于長(zhǎng)期彈性狀態(tài)之下。

3.基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑整體穩(wěn)定性的影響

當(dāng)我們考慮到基礎(chǔ)剛度的影響時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度會(huì)削弱，相應(yīng)地，邊界條件也會(huì)發(fā)生弱化，這便會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失去穩(wěn)定性所需的臨界荷載減小。當(dāng)我們對(duì)基礎(chǔ)剛度的影響進(jìn)行了大量的分析之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)的剛重比限值也會(huì)出現(xiàn)降低的情況。當(dāng)我們對(duì)具體情況進(jìn)行比對(duì)時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度便會(huì)發(fā)生逐步降低的現(xiàn)象，在此條件下我們往往需要考慮基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的不利影響，保證二階效應(yīng)所帶來(lái)的總位移在一個(gè)滿(mǎn)足使用條件的范圍之內(nèi)。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，在考慮基礎(chǔ)剛度的情況下，還需要從宏觀(guān)的層面進(jìn)行分析，我們可以將剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和代用，將這種結(jié)構(gòu)以懸臂梁的形式表現(xiàn)出來(lái)，以此來(lái)判斷這種桿件在受彎時(shí)，多大的臨界荷載才能夠使得桿件失穩(wěn)，這樣我們便可以求出相關(guān)的臨界荷載的數(shù)值。通過(guò)以上的計(jì)算過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)在有限基礎(chǔ)剛度的前提下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的受彎部分處于一種倒三角型分布荷載作用下時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出具體的受力以及相應(yīng)的位移情況。并且結(jié)構(gòu)受到自身重力荷載之外還會(huì)受到一些別的荷載，例如水平荷載，當(dāng)結(jié)構(gòu)在兩者共同作用之下，便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移。這樣系統(tǒng)的分析有利于我們更好地了解基礎(chǔ)剛度對(duì)高層建筑抗震穩(wěn)定性的具體影響，并且有效地對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)加以改善，來(lái)確保高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足抗震的要求[5-7]。

4.結(jié)論

綜上所述，在對(duì)基礎(chǔ)剛度的研究中我們發(fā)現(xiàn)，若引入基礎(chǔ)剛度便會(huì)引起高層建筑結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)剛度的退化，因此我們需要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)上層部分的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，基礎(chǔ)剛度并不能一味地增大，需要使其在一個(gè)合適的區(qū)間內(nèi)，來(lái)保證結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足我們?nèi)粘Ｊ褂玫男枨笠约鞍踩矫娴囊蟆?duì)于隔震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)的平動(dòng)剛度有所退化，地震作用及其效應(yīng)會(huì)減小，雖然基礎(chǔ)的平動(dòng)剛度不會(huì)對(duì)我們整體結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生過(guò)大的影響，但是我們?nèi)匀恍枰够A(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度滿(mǎn)足使用要求。

隨著我國(guó)城市迅猛發(fā)展，高層建筑數(shù)量劇增成為必然。高層建筑的特殊性要求其自身在抗震方面有著良好的性能以保證安全，而基礎(chǔ)剛度對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響較為復(fù)雜，因此要求我們必須將建筑物的基礎(chǔ)剛度作為抗震設(shè)計(jì)考慮的重要指標(biāo)之一，本文分析高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)剛度對(duì)抗震性能的影響，從三個(gè)方面進(jìn)行了可行性的論述，希望能夠?qū)ψ畲笙薅鹊靥岣吒邔咏ㄖ目拐鹦阅芴峁┯幸娴膸椭?/p>