對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的幾點認(rèn)識

梁愛莉

摘要 本文針對地震的特點,強(qiáng)調(diào)工程結(jié)構(gòu)抗震中概念設(shè)計的重要性及進(jìn)行概念設(shè)計的基本原則,從結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡單性、規(guī)則性、均勻性、對稱性、結(jié)構(gòu)的剛度和延性的合理匹配等幾個方面對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計進(jìn)行了闡述,要求工程技術(shù)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不僅應(yīng)具有扎實的“計算設(shè)計”功底,還應(yīng)具備清晰的概念和豐富的實踐經(jīng)驗,在工程設(shè)計開始就把握好房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等幾個方面,從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞 高層建筑;抗震;概念設(shè)計

中圖分類號 TU973+.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708(2009)10-0012-02

地震是一種隨機(jī)振動,有著難于把握的復(fù)雜性和不確定性。要準(zhǔn)確預(yù)測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù),一時很難做到。成功的工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計不能僅依賴于精細(xì)的計算分析,同時還必須在總結(jié)現(xiàn)有震害經(jīng)驗基礎(chǔ)上,利用已經(jīng)認(rèn)識的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)規(guī)律和良好的結(jié)構(gòu)知識對結(jié)構(gòu)的總體布置和細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行合理設(shè)計,即所謂的抗震概念設(shè)計。

概念設(shè)計的重要性,主要在于因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論存在許多缺陷或者不可計算性,為了彌補(bǔ)計算理論的缺陷,或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計,都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。同時,概念設(shè)計還體現(xiàn)在方案設(shè)計階段,初步設(shè)計過程是不能借助于計算機(jī)來實現(xiàn)的,這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念,選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案,為此,需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念,深人了解各類結(jié)構(gòu)的性能,并能有意識地、靈活地運用它們。

概念設(shè)計強(qiáng)調(diào),在工程設(shè)計一開始就應(yīng)把握好場地選擇、能量輸人、房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等幾個方面,從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié),再輔以必要的計算和構(gòu)造措施,就有可能使設(shè)計出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。以下討論的是高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中較為關(guān)鍵的問題。

1 結(jié)構(gòu)布置力求簡單、規(guī)則

在設(shè)計時,要使結(jié)構(gòu)布置盡量簡單,只有結(jié)構(gòu)簡單,才能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的計算模型、內(nèi)力與位移分析,限制薄弱部位的出現(xiàn)易于把握,因而對結(jié)構(gòu)抗震性能的估計也比較可靠。

結(jié)構(gòu)布置均勻、建筑平面規(guī)則,有利于防止薄弱的子結(jié)構(gòu)過早破壞、倒塌,使地震作用能在各子結(jié)構(gòu)之間重分布,增加結(jié)構(gòu)的贅余度數(shù)量,發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用。沿建筑物豎向,建筑造型和結(jié)構(gòu)布置比較均勻,避免剛度、承載力和傳力途徑的突變,以限制結(jié)構(gòu)在豎向某一樓層或極少數(shù)幾個樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位[1]。

在建筑結(jié)構(gòu)的平面布置時,應(yīng)力求抗側(cè)力構(gòu)件的布置均勻?qū)ΨQ,只有這樣才不會使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心存在較大偏離,從而避免在地震下產(chǎn)生附加扭轉(zhuǎn)破壞。1972年在南美洲馬那瓜地震中,兩幢相鄰高層建筑的截然不同震害就是由于主要抗側(cè)力構(gòu)件非對稱布置所造成附加震害的典型實例,其中15層的中央銀行大廈因抗側(cè)力構(gòu)件不對稱布置(鋼筋混凝土梯井均集中布置在結(jié)構(gòu)平面的右端)而發(fā)生倒塌,而采用對稱外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的18層美洲銀行大廈卻只受到輕微破壞;1995年日本阪神地震中,由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件或填充墻非對稱布置所造成的結(jié)構(gòu)附加扭轉(zhuǎn)破壞在臨街建筑的震害中表現(xiàn)得最為突出。這種臨街建筑的特點是沿街設(shè)櫥窗而背面為實墻,因而房屋縱向的剛度中心與質(zhì)量中心存在較大偏離,震害特點是臨街一側(cè)鋼筋混凝土柱嚴(yán)重破壞,整幢建筑往街一側(cè)傾倒[2]。

2 剛度與延性的合理匹配

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,現(xiàn)行的規(guī)范是《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。高層建筑層數(shù)多、高度大,為保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度,應(yīng)對其層間位移加以控制。這個控制實際上是對構(gòu)件截面大小、剛度大小的一個相對指標(biāo)。高層建筑的抗側(cè)剛度對結(jié)構(gòu)的抗震性有很大的影響,應(yīng)設(shè)計的剛些還是柔些,不同的設(shè)計人員有不同的看法。

剛度決定的結(jié)構(gòu)自振周期與場地的卓越周期應(yīng)避開,以避免發(fā)生類共振,造成建筑物破壞、倒塌。由于高層建筑對地震地面運動的反應(yīng)是一種動力反應(yīng),因而在建筑和結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計中就應(yīng)該充分認(rèn)識到結(jié)構(gòu)體系的基本周期、場地軟硬程度、場地覆蓋層厚度和地震波的頻譜成分之間的動力效應(yīng)關(guān)系,以避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單重或二重類共振而造成嚴(yán)重的破壞。建筑類共振破壞的問題已通過1985年墨西哥大地震中高層建筑(20層左右為主)的大量破壞而得到工程界的普遍共識。其原因是墨西哥城位于新近代沉積盆地,土質(zhì)松軟且厚度大,場地卓越周期長。其周期范圍正好與20層左右的高層建筑的基本周期較為接近,從而造成了嚴(yán)重震害。因此在建筑方案設(shè)計時就應(yīng)針對預(yù)估的建筑場地的卓越周期,通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)、選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系,使建筑的基本周期盡量避開場地的卓越周期[3]。

一般認(rèn)為,對于某些地區(qū),由于土質(zhì)較好,基巖埋深也普遍較淺,且高層建筑多采用樁基礎(chǔ),或者有1~2層的地下室,持力層座落在中,微風(fēng)化巖層或者中硬場地土層,地基的特征周期值較小。在此條件下,高層建筑的抗側(cè)高度一般可以設(shè)計的柔些,以結(jié)構(gòu)的極限變形能力作為控制值。在滿足變形的限值的前提下,結(jié)構(gòu)剛度盡可能設(shè)計得小些,這樣既降低了地震作用,也使場地與建筑物發(fā)生共振的可能性減小,而且也達(dá)到了經(jīng)濟(jì)目的。大多數(shù)工程實踐證明,建在較硬場地上的高層建筑可以按變形控制,以柔克剛,既安全又經(jīng)濟(jì)。

結(jié)構(gòu)的抗震能力是由承載力和變形能力兩者共同決定的,承載力較低,但具有很大延性的結(jié)構(gòu),所能吸收的能量多,雖然較早出現(xiàn)損壞,但能經(jīng)受住較大的變形,避免倒塌。僅有較高強(qiáng)度而無塑性變形能力的脆性結(jié)構(gòu),吸收能量的能力弱,一旦遭遇超過設(shè)計水平的地震時,很容易因脆性破壞而突然倒塌。彈性地震反應(yīng)分析的著眼點是強(qiáng)度,用加大強(qiáng)度來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力,彈塑性地震反應(yīng)分析的著眼點是變形能力,當(dāng)?shù)卣鹆_(dá)到結(jié)構(gòu)屈服抗力以后,利用結(jié)構(gòu)的塑性變形發(fā)展來抗御地震,所以提高結(jié)構(gòu)的屈服抗力只能推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段,而增加結(jié)構(gòu)的延性,不僅能削減地震反應(yīng),而且提高了結(jié)構(gòu)抗御強(qiáng)烈地震的能力。

3 結(jié)論

作為土木工程技術(shù)人員在高層建筑的研究和工程設(shè)計中,不僅應(yīng)具有扎實的“計算設(shè)計”功底,還應(yīng)具備清晰的概念和豐富的實踐經(jīng)驗,在設(shè)計的整個過程中更好地運用概念設(shè)計,去處理理論和細(xì)節(jié)問題,從而創(chuàng)造出更加安全、適用、經(jīng)濟(jì)美觀的高層建筑。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].2版.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.