高层建筑抗震结构设计

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2017-11-06 10:30 热度:

   高层建筑是当今建筑的主要形式,高层建筑的抗震设计十分重要。本文就抗震设计的三点原则从理论计算和实际运用提出新的见解。

安徽建筑工业学院学报:自然科学版

  《安徽建筑工业学院学报:自然科学版》JournalofAnhuiInstituteofArchitecture(NaturalScience)(双月刊)1993年创刊,是综合性自然科学学术刊物。以建设有中国特色社会主义理论为指导、坚持“百花齐放、百家争鸣”的方针,坚持理论联系实际的原则。

  1.抗震概念设计应坚持原则,做到刚柔相济,多道设防理念

  1.1刚柔相济

  在抗震设计中,不能一味地提高结构的抗力,一般是根据初定的尺寸和混凝土等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,然后计算配筋。如果结构刚度太大,地震作用效应就很大,这样为抵御地震而需配更多的钢筋,因此,增加了结构的刚度,反而使地震作用效应增强。在较大的地震力瞬间袭来时,极易造成局部受损,最后导致各个击破:而太柔的结构虽然有很好的延性,可以消减外力,但容易造成变形过大而无法使用,甚至整体倾覆。在抗震设计中,为了实现刚柔相济的原则,既满足变形要求,又能减小地震力,最主要的方法是进行隔震消能设计。隔震消能设计一般的做法是在基础和主体之间设置柔性隔震层、加设消能支撑(类似于阻尼器的装置)等;另外,在抗震设计中“刚柔相济”可以通过合理控制设计指标来实现,如周期比、位移比、剪重比、刚度比等应满足建筑抗震设计规范限值要求。

  1.2多道设防

  强烈地震后往往伴随多次余震,如果只有一道设防,在首次破坏后再遭余震,结构将会因损伤积累而导致倒塌。因此,一个抗震结构体系,应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接起来协同工作,如框架-剪力体系是由延性框架和抗震墙两个分体系组成;双肢或多肢剪力墙体系组成。

  2.系统的抗震措施包括以下几个方面内容:

  2.1 “强柱弱梁”

  人为增大柱相对于梁的抗弯能力,使钢筋混凝土框架在地震下,梁端塑性铰出现较早,在达到最大非线性位移时塑性转动较大;而柱端塑性铰出现较晚,在达到最大非线性位移时塑性转动较小,甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

  2.1.2框架柱轴压比控制

  抗震受力延性需要:

  避免大震作用下框架柱压屈脆性破坏。现行规范框架柱轴压比控制计算原则:控制框架柱小震作用组合下轴压应力设计值水平:

  分析:地震作用下框架中、边、角柱所受轴力水平不同:

  中柱所受轴力较小,边柱、角柱所受轴力较大,尤其角柱迭加斜向作用、扭转作用所受轴力最大。框架中、边、角柱轴压比控制应有所不同。

  建议:

  现行规范框架中、边、角柱轴压比控制宜参照1984年高层建筑结构学组《高层建筑结构设计建议》,区别对待适当调整。中柱适当放松,边柱不变,角柱适当从严,如表2所示。

  2.2 “强剪弱弯”

  剪切破坏基本上没有延性,一旦某部位发生剪切破坏,该部位就将彻底退出结构抗震能力,对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值,使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

  2.2.1框架柱剪力调整方法

  受力需要:框剪结构在小震作用下,弹性计算变形协调所得的框架柱剪力较小:大震作用下,剪力墙、简体及连梁出现裂缝后,刚度退化,框架柱剪力将大大增加。

  抗震需要:提高结构二道防线的抗震能力。现行规范剪力调整计算原则:

  框架层总剪力: 中较/j、值第i层框架剪力调系数: 第i层j框架柱剪力、弯矩调整: 相连第i层j框架梁粱端剪力、弯矩调整:

  问题:是否需满足节点力系平衡——调整相连框架梁梁端剪力、弯矩分析:

  (1)框架柱偏压,轴压比控制,配筋一般由构造控制,柱剪力调整,柱的实际配筋一般未能得到调整增大,实际框架柱承载能力未能得到有效提高。

  (2)框架梁纯弯,梁端弯矩调整,配筋成比例调整增大,实际框架梁承载能力得到明显提高。

  (3)实际结构承载能力向强粱弱柱方向发展,不利于整体结构强柱弱梁延性抗震。

  (4)台湾、日本、美国震害表明,整浇楼盖的钢筋混凝土结构的竖向构件墙、柱破坏严重,楼盖梁板一般尚未出现破坏,因此,强柱弱粱延性抗震更显重要。

  建议:

  (1)小震作用下的钢筋混凝土框剪结构柱剪力调整十分必要。

  (2)不必拘泥于地震作用下框架节点力系平衡。

  (3)不必调整相连框架梁梁端弯矩、剪力。

  2.3 平面要规则.竖向刚度要连续

  从受力特性看.高层建筑垂直荷载方向不变.随建筑物的增高仅引起量的增加:而水平荷载可来自任何方向.当为均布荷载时.弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看,竖向荷载引起的位移很小。而水平荷载当为均布荷载时.侧移与高度成四次方变化由此可以看出,在高层结构中.水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响.水平荷载是结构设计的控制因素,结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外.同时要求结构要有足够的刚度.使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。高层建筑有上的受力特点.因此.高层建筑采用何种结构形式,应取决于所有结构体系和材料特性.同时取决于场地土的类型.避免场地土和建筑物发生共振,而使震害更加严重因此必须做到平面规则.尽可能采用矩形平面布置、抗侧力构件双向布置。并避免单跨结构。较大平面收进.否则在地震力作用下会引起很大的扭转效应,导致角部破坏、山墙倒塌。尽可能使结构的竖向刚度连续,高度超过6米,层数超过18层的高层建筑不应采用错层结构.错层结构楼板整体性差.不能有效传递水平力,易造成短柱;在建筑设计方面应避免采用大家喜欢的圆弧外墙.不论是框架结构还是砖混结构.在这次地震中圆弧外墙都受到了严重破坏,我们应该引以为训。

  2.4地基基础设计控制要素:

  (1)控制长期重力荷载作用下地基基础的变形及其差异变形。

  (2)满足重力荷载水平荷载组合作用下地基基础承载能力要求。

  建议高层建筑地基基础设计框图修改如下

  效果:

  (1)强化中央区,弱化边缘区。

  (2)减小重力荷载作用下地基基础最大沉降及盆式差异沉降斜率,改善结构工作性能,提高结构安全度。

  5 结语

  从现代抗震设计思路提出至今,世界各国的抗震学术界和工程界又取得了许多新的成果,比如进行了大量钢筋混凝土构件的抗震性能试验;通过迅速发展的计算机技术编制了准确性更好的非线性动力反应程序;在设计方法上也不再拘泥于以前单一的基于力的传统抗震设计方法,开始尝试基于性能和位移的新的抗震设计理念。目前我国在这方面也做出了新的规定,为限制结构的扭转效应,规定了最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比的限值。对于平面较狭长或核心筒有偏心时,应设置剪力墙才能满足规范要求。对于高度己确定的建筑物,采用何种结构形式,结构工程师应进行经济技术比较后确定。总之,对新规范的理解和应用只有在不断的设计实践过程中才能更好地掌握。

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