淺析高層建筑的抗震設(shè)計(jì)

中圖分類號：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-925X(2011)07-0079-01

摘要：在對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行歸納闡述后，對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析研究。

關(guān)鍵詞：高層建筑 鋼結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計(jì)

我國是地大物博的國家，但同時(shí)也是一個(gè)地震多發(fā)國家，建筑抗震設(shè)防度在6度以上的地區(qū)幾乎遍及了全國各省、市和自治區(qū)。我國從古到今發(fā)生了許多次破壞性相當(dāng)大的災(zāi)害性地震，2008年5月12日，在四川省汶川縣四川汶川縣、北川縣境內(nèi)發(fā)生了的里氏8.0級的特大地震，成為新中國成立以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次特大災(zāi)害性。從大量文獻(xiàn)資料和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，地震建筑災(zāi)害已成為地震災(zāi)害中最具破壞性和殺傷力的毀滅性災(zāi)害，這在很大程度上對全國從事高層樓宇住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究的工作人員提出了更高的防震設(shè)計(jì)要求，即如何在高層樓宇建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中切實(shí)設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)方案達(dá)到建筑“大震不倒”的目的。每一次科學(xué)合理系統(tǒng)的防震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)，每一個(gè)優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)體系方案的選用，均有可能提高居民人身財(cái)產(chǎn)在地震中的安全系數(shù)。研究住宅樓宇建筑抗震，并根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)、氣象等條件提出合理的抗震結(jié)構(gòu)選型和抗震措施，是減小地震引起的建筑災(zāi)害有效技術(shù)措施手段之一。在高層樓宇建筑抗震設(shè)計(jì)過程中，國內(nèi)外諸多學(xué)者在大量研究工作的基礎(chǔ)上已獲得了很多可以借鑒的優(yōu)良成果，但隨著高層樓宇建筑建設(shè)高度、建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，有針對性地研究高層樓宇建筑鋼結(jié)構(gòu)在遭受高烈度、罕遇破壞性極強(qiáng)大地震的影響性能，制定科學(xué)合理的高層樓宇建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震體系，并提出鋼結(jié)構(gòu)高層樓宇建筑應(yīng)急處理方案就顯得非常有工程實(shí)際意義[1]。

1 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析方法

抗震設(shè)計(jì)是高層樓宇建筑鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究一個(gè)重要內(nèi)容，地震荷載組合是高層樓宇建筑鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究中需要重點(diǎn)控制的荷載組合，同時(shí)地震破壞作用和鋼結(jié)構(gòu)體的抗震驗(yàn)算是建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究的重要步驟，是確定所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)體能否滿足高層樓宇建筑最低抗震設(shè)防安全性能需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地震發(fā)生過程中，其破壞作用力的影響因素較多，破壞性也較復(fù)雜，其發(fā)生機(jī)理和破壞強(qiáng)度存在相當(dāng)大的不確定性。從大量統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)資料表明高層樓宇建筑地震破壞作用力不是直接作用在建筑結(jié)構(gòu)體上的荷載，而是地震引起的地面運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)體在慣性力作用下的破壞。地震引起的建筑物地面運(yùn)動(dòng)不僅包括兩個(gè)水平方向的運(yùn)動(dòng)作用力分量，同時(shí)還包括垂直豎向分量以及轉(zhuǎn)動(dòng)分量。因此，對地震作用進(jìn)行分析研究尤其是在進(jìn)行高層樓宇建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)體抗?fàn)幮阅芴攸c(diǎn)和地震作用基本規(guī)律，盡量采用簡化的模型和計(jì)算方法獲得系統(tǒng)的研究體系。由于高層樓宇建筑結(jié)構(gòu)類型和體型的不同，加上地震作用力的復(fù)雜性能，因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析時(shí)通常包括簡化方法和較為復(fù)雜的精細(xì)方法兩類分析研究手段。目前，高層樓宇建筑抗震設(shè)計(jì)的分析方法主要包括以下三種[2]。

1.1 底部剪力法。

底部剪力法是高層樓宇抗震設(shè)計(jì)中常用的抗震計(jì)算簡化方法，是針對規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)體水平方向地震作用效果進(jìn)行分析的簡化方法。底部剪力法在進(jìn)行抗震分析時(shí)是按照彈性地震反應(yīng)譜理論為基礎(chǔ)，即建筑結(jié)構(gòu)底部在地震過程中所承受的總地震剪力與等效單質(zhì)點(diǎn)水平地震作用力是相等的。因此，在進(jìn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)體抗震性能計(jì)算分析時(shí)，可以利用等效單質(zhì)點(diǎn)分析模型，確定整個(gè)高層樓宇建筑抗震結(jié)構(gòu)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(jìn)行高層樓宇建筑抗震計(jì)算分析時(shí)，將各層的重力荷載代表值集中于該層樓蓋處，并在簡化計(jì)算時(shí)樓蓋處每個(gè)主軸方向可以僅考慮一個(gè)自由度進(jìn)行抗震計(jì)算。

1.2 反應(yīng)譜法。

反應(yīng)譜法是以建筑單質(zhì)點(diǎn)的彈性性能及結(jié)構(gòu)體系，在實(shí)際地震過程中所具有的應(yīng)力反應(yīng)為基礎(chǔ)，來進(jìn)行高層樓宇建筑鋼結(jié)構(gòu)體抗震性能的分析計(jì)算。反應(yīng)譜法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析時(shí)，實(shí)際就是利用地震譜曲線，結(jié)合建筑工程實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)特性來計(jì)算高層樓宇建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震反應(yīng)性能。在進(jìn)行高層樓宇抗震設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，根據(jù)地震過程中其破壞性地震波波動(dòng)性能，可按照平動(dòng)振型和扭轉(zhuǎn)禍連振型兩種特性進(jìn)行反應(yīng)譜法分解計(jì)算，以獲得建筑結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)抗震性能。

1.3 時(shí)程分析法。

底部剪力法、反應(yīng)譜方法在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析時(shí)，通常采用簡化模型進(jìn)行分析，其獲得結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)針對性，雖然其計(jì)算結(jié)構(gòu)可以保證多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)的綜合抗震承載力和扭曲變形要求，但此類方法在計(jì)算過程中引入了很多簡化手段，不能確切地反應(yīng)建筑物在地震過程中其建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)辦和位移隨地震時(shí)間推移的變化特性，有時(shí)甚至還很難確定建筑鋼結(jié)構(gòu)體在地震過程中可能存在的薄弱點(diǎn)和可能發(fā)生隱蔽性地震災(zāi)害。由于采用了簡化計(jì)算模型和方法，建筑及結(jié)構(gòu)抗震承載力和變形安全裕度得不到有效保證，不能作為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的決策性數(shù)據(jù)。以建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)性能為基礎(chǔ)的時(shí)程分析法，在建筑抗震設(shè)計(jì)過程也稱為直接動(dòng)力分析法或動(dòng)態(tài)分析法，是根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)實(shí)際特性形成完善的彈性或彈塑性振動(dòng)分析系統(tǒng)，通過直接輸入建筑物地面地震加速度數(shù)值，結(jié)合地震波運(yùn)動(dòng)方程的直接積分性能，從而獲得詳細(xì)的建筑結(jié)構(gòu)抗震體系中各質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度、以及抗震結(jié)構(gòu)體的地震剪力時(shí)程變化曲線，從而獲得完善系統(tǒng)、準(zhǔn)確可靠的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)據(jù)信息，以及抗震設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出完善的抗震設(shè)計(jì)方案。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 重視高層樓宇建筑抗震結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。

在進(jìn)行高層樓宇建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要注重結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)的規(guī)則性和均勻性，具體設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重以下三個(gè)方面的技術(shù)要點(diǎn)：

(1)由于實(shí)際高層樓宇建筑的結(jié)構(gòu)體均是三維立體系統(tǒng)的，而地震過程中其地震破壞作用和地震荷載組合均是復(fù)雜多變的參變量，具有多向性、時(shí)變性，因此，在進(jìn)行高層樓宇建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)按照兩個(gè)主軸方向的剛度和變形特性均相似要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能保證地震過程中高層樓宇建筑兩個(gè)主軸方向的承受力較為均勻，從而提高建筑抗震結(jié)構(gòu)的抗震力和抗地震荷載組合性。

(2)高層樓宇建筑其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系中層剪切剛度間不能發(fā)生突變，避免由于建筑結(jié)構(gòu)體薄弱層在地震過程中發(fā)生破壞引起整個(gè)建筑物發(fā)生嚴(yán)重破壞。

(3)高層樓宇建筑其主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重同一主軸方向上的各個(gè)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)其剛度性能應(yīng)均勻，這樣可以避免在高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置時(shí)出現(xiàn)一些剛度特別大而延性較差的抗震性能較差結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

2.2 合理選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系。

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)，需要有明確的計(jì)算簡圖和準(zhǔn)確抗震計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并合理選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系，有效提高高層建筑綜合抗震性能水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭繼武.建筑抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002

[2] 呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社， 2009