淺析高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

【摘要】近幾年來(lái)，隨著高層建筑的不斷發(fā)展，由于地震給人的生命安全以及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)一定的破壞。因此，做好抗震設(shè)計(jì)在高層建筑中是尤為重要的。本文首先分析了高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則，然后詳細(xì)分析了高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)及應(yīng)注意的問(wèn)題

【關(guān)鍵詞】高烈度；高層建筑；抗震設(shè)計(jì)

伴隨著我國(guó)高層建筑的不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)主要是型鋼混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)，這是做為建筑高抗震要求的首選結(jié)構(gòu)材質(zhì)。混合框架核心筒結(jié)構(gòu)是由型鋼框架、混凝土核心筒與伸臂桁架組成的一種具有多道抗震防線的高層結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系主要是由伸臂桁架構(gòu)造加強(qiáng)層，不僅使結(jié)構(gòu)傳力路勁明確，并且利用了外框柱的軸向剛度來(lái)提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度。

一、高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)就是使設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度、延展性以及耗能能力等方面達(dá)到最佳效果，最終實(shí)現(xiàn)：“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。

（2）高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

1）結(jié)構(gòu)材料以及體系的選擇

高層建筑使用的材料應(yīng)該具有材質(zhì)輕、密度大以及強(qiáng)度高的特點(diǎn)，這樣一來(lái)，構(gòu)造的建筑才有連續(xù)性、整體性以及延展性，將建筑結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度發(fā)揮出來(lái)，最終提高防震的功效。

到目前為止，鋼結(jié)構(gòu)以及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在抗震方面有很強(qiáng)的作用，做為高層建筑抗震要求的首選結(jié)構(gòu)材質(zhì)，另外，其他的建筑結(jié)構(gòu)也可以用于對(duì)抗震要求不高的高層建筑中，在選擇結(jié)構(gòu)材料以及體系時(shí)，應(yīng)該堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)度比較高并且符合抗震性能的原則。

2）建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性對(duì)于抗震作用比較大，不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)不利于抗震。因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)具有規(guī)則以及對(duì)稱的剖面結(jié)構(gòu)，地震對(duì)建筑物帶來(lái)的搖晃有一定的支撐作用，從而起到很好的抗震效果。從建筑豎向剖面理論來(lái)說(shuō)，豎向抗側(cè)力構(gòu)建的截面尺寸以及材料強(qiáng)度應(yīng)該自下而上的逐漸減少，這樣就能夠避免測(cè)力結(jié)構(gòu)的承載力突變。因此，對(duì)于沒(méi)有特殊要求的高層建筑物，應(yīng)該盡量避免過(guò)于規(guī)則的結(jié)構(gòu)組成，不能一味的追求其視覺(jué)效果，更多的注重抗震要求。當(dāng)然，對(duì)于有特殊要求設(shè)計(jì)成不規(guī)則的高層建筑，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，近乎準(zhǔn)確的模擬出結(jié)構(gòu)與地震水平之間的作用，從而采取預(yù)防措施，相應(yīng)的做出內(nèi)力調(diào)整，最終提高整體的抗震能力。

3）多道防震體系

一般情況下，一次地震不會(huì)造成持續(xù)的震動(dòng)，但是可能會(huì)造成接連不斷的余震，盡管強(qiáng)度不大，但是從持續(xù)時(shí)間以及反復(fù)次數(shù)上來(lái)說(shuō)，在一定程度上對(duì)建筑物造成不同程度的損壞。高層建筑物只是采取單體的結(jié)構(gòu)，一旦遭遇到破壞時(shí)就會(huì)難以應(yīng)付接踵而來(lái)的持續(xù)余震，最終導(dǎo)致建筑物坍塌。針對(duì)此種現(xiàn)象，就必須設(shè)立多道防震體系。設(shè)立多道防震體系，及時(shí)第一道防震線被摧毀，還有第二道以及第三道防震線，就能夠很好的躲避反復(fù)的余震帶來(lái)的破壞，大大的降低了危險(xiǎn)指數(shù)，增加了抗震能力[1]。

二、高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及應(yīng)注意的問(wèn)題

1、控制結(jié)構(gòu)超限現(xiàn)象以及相關(guān)的解決措施

高層建筑結(jié)構(gòu)超限符合以下幾個(gè)條件：①當(dāng)房屋高度超過(guò)120.10米，超過(guò)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)房屋最大使用高度A級(jí)最大高度100米，B級(jí)120米的限值；②標(biāo)準(zhǔn)層在水平地震考慮質(zhì)量偶然偏心作用下，結(jié)構(gòu)樓層的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則平面以及結(jié)構(gòu)；③標(biāo)準(zhǔn)層樓存在凹凸不規(guī)則現(xiàn)象。

控制結(jié)構(gòu)超限的措施：對(duì)于結(jié)構(gòu)薄弱位置，在框架柱內(nèi)設(shè)置芯柱，提高其承載力以及抗震安全性；控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)比，使結(jié)構(gòu)樓層的扭轉(zhuǎn)位移比小于1.2；對(duì)于個(gè)別框支墻柱按照中震彈性以及小震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，滿足中震彈性的抗震性能目標(biāo)；依次類推，標(biāo)準(zhǔn)層的個(gè)別框支墻柱則按照中震計(jì)算結(jié)果，滿足中震不屈服的抗震性能目標(biāo)；根據(jù)彈塑性實(shí)程分析結(jié)果，連梁以及框架梁出現(xiàn)彎曲塑性鉸，梁端塑性鉸在各個(gè)樓層分布較為均勻，反應(yīng)歷程中最大層間位移角小于1/120，滿足規(guī)范要求[2]。

2、超限高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析

結(jié)構(gòu)彈塑性分析主要是根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用美國(guó)CSI公司的Perform3D 軟件進(jìn)行彈性分析。該軟件能夠很好的體現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念，在軟件中引進(jìn)了美國(guó)基于性能的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性狀態(tài)下的地震性能做出準(zhǔn)確評(píng)估。

高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要是對(duì)不同設(shè)防目標(biāo)的建筑物采用不同的抗震要求，美國(guó)公司提出了一種結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)分為三個(gè)等級(jí)以及兩個(gè)范圍，分別采用S-1到S-5來(lái)表示：S-1稱之為“立即可用性能水準(zhǔn)”， S-2稱之為“破壞控制性能范圍”， S-3稱之為“生命安全性能水準(zhǔn)”， S-4稱之為“極限安全性能范圍”， S-5稱之為“防治倒塌性能水準(zhǔn)”，因此，根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)制定了較為詳細(xì)的抗震性能目標(biāo)，如下表1所示：

彈塑性的精力計(jì)算主要是采用靜力退服分析方法，對(duì)三維結(jié)構(gòu)模型施加X(jué)向以及Y向的側(cè)向荷載，經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，在同一坐標(biāo)體系中繪制出結(jié)構(gòu)，在計(jì)算的結(jié)果中，結(jié)構(gòu)在X向側(cè)向荷載以及Y向側(cè)向荷載作用力下，能力曲線與需求曲線都沒(méi)有交點(diǎn)，并且能力曲線已經(jīng)超越了最高點(diǎn)，呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在罕遇地震下變形計(jì)算，如下圖4所示：

結(jié)構(gòu)在加固之前，在中震以及罕遇地震下，X向以及Y向的地震波，框架柱以及框架上就會(huì)有大量的塑性鉸產(chǎn)生。產(chǎn)生的塑性鉸超過(guò)總數(shù)的55%，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中就會(huì)有大部分的構(gòu)件進(jìn)入到屈服狀態(tài)下，在中震以及罕遇震下的建筑結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布情況，如下圖5所示：

3、抗震加固設(shè)計(jì)

對(duì)于高層建筑物的框架柱應(yīng)該采用外包鋼筋混凝土從而加大截面，并且適當(dāng)?shù)募哟蟊∪鯇又约翱鐚又闹麂摻睿黾愉摻罹W(wǎng)，對(duì)原來(lái)的框架梁以及作用設(shè)備荷載比較大，承載力不足的次梁應(yīng)該采用高強(qiáng)度的鋼鉸線，最終提高抗震能力。使用此種方法，由于只是對(duì)框架柱進(jìn)行抗震加固，以及增加了截面，因此，在加固之后，不會(huì)出現(xiàn)部分框架柱不屈服的現(xiàn)象，對(duì)主梁以及次梁進(jìn)行抗震加固，能夠使絕大部分的構(gòu)件滿足抗震要求。如下圖6所示：

三、結(jié)束語(yǔ)

高烈度地區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條件，采取合理的措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該綜合考慮其結(jié)構(gòu)超限以及剪力墻連梁抗震設(shè)計(jì)等方面，由于連梁的內(nèi)力以及自身的剛度都與抗震能力相關(guān)，所以，在高烈度地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮，將相互之間的影響因素相互協(xié)調(diào)，從而制定出科學(xué)合理的抗震設(shè)計(jì)方案，達(dá)到高層建筑抗震要求。