住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著各行業(yè)都更加講究效率和效益。未來(lái)建筑行業(yè)的發(fā)展一定是經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性相結(jié)合的，高層建筑正是順應(yīng)這個(gè)發(fā)展特點(diǎn)，而高層建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷發(fā)展和進(jìn)步的過(guò)程，需要我們不斷努力去發(fā)展、創(chuàng)新、完善。本文結(jié)合高層建筑的設(shè)計(jì)，提出了結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則并分析了提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的具體措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

建筑抗震的實(shí)踐表明，高層建筑物如果缺乏良好的抗震設(shè)計(jì)，沒(méi)有良好的總體布置方案，僅僅依靠結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，采取抗震構(gòu)造措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不能達(dá)到良好的抗震效果。當(dāng)較強(qiáng)地震發(fā)生的時(shí)候，高層建筑物無(wú)法發(fā)揮很好的抗震效果，不能起到降低震害的效果。因此，在高程建筑設(shè)計(jì)的實(shí)際工作中，為了提高設(shè)計(jì)水平，保證高層建筑的強(qiáng)度和質(zhì)量，提高高層建筑的抗震能力，必須重視采取相應(yīng)的策略，從多個(gè)方面入手，優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，為人們的生產(chǎn)生活創(chuàng)造良好的條件。

一、住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

抗震設(shè)計(jì)要?jiǎng)側(cè)嵯酀?jì)，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，在增加結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)也要增強(qiáng)地震作用，需要確定合理的抗震措施。保證結(jié)構(gòu)的抗震性能主要是確保建筑物滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標(biāo)。在地震力作用下，要求結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍內(nèi)正常使用。建筑物的變形破壞性態(tài)后不能發(fā)生很大的變化，經(jīng)簡(jiǎn)單的修復(fù)后可正常使用。隨著建筑物高度的增加，允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，但必須保證結(jié)構(gòu)整體的安全。因此，六級(jí)以上必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。每次強(qiáng)震之后都會(huì)伴隨多次余震，在建筑抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中如果若一味的提高結(jié)構(gòu)抗力，就會(huì)增加結(jié)構(gòu)剛度。若只有一道設(shè)防，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度大。所以，建筑物在地震過(guò)程中既能滿足變形要求，又能減小地震力的雙重目標(biāo)。因此，只有這樣才能使建筑物抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中防止造成建筑物局部受損。建筑物的抗震結(jié)構(gòu)體系如果剛度太柔，首次被破壞后而余震來(lái)臨時(shí)其結(jié)構(gòu)將因損傷，結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同工作來(lái)抵擋地震作用容易導(dǎo)致建筑物過(guò)大形變而不能使用。延性較好的分體系組成，地震發(fā)生時(shí)不會(huì)發(fā)生整體傾覆。因此，由若干個(gè)在地震發(fā)生時(shí)由具有較好延性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的具體設(shè)計(jì)措施

1、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

在高層建筑中，結(jié)構(gòu)的均勻性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度要比較接近、變形特性要比較相近。這是因?yàn)閷?shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)都是三維的，實(shí)際的地震作用、風(fēng)荷載具有任意的方向性，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度比較均勻，就能具有比較良好的抗震、抗風(fēng)性。

（2）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面、構(gòu)成變化比較均勻，不要突變。這里主要是指主體結(jié)構(gòu)的層剪切剛度不要突變，這種均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)可以避免因薄弱層的破壞而引起的結(jié)構(gòu)整體破壞，尤以強(qiáng)震區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)需特別注意。

（3）高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置，應(yīng)注意同一主軸方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻，應(yīng)避免在主體結(jié)構(gòu)的布置中設(shè)置一、二片剛度特別大而延性較差的結(jié)構(gòu)，如長(zhǎng)窄的實(shí)體剪力墻。此時(shí)，即使結(jié)構(gòu)仍滿足對(duì)稱性和剛度的要求，但由于個(gè)別結(jié)構(gòu)剛度巨大，地震發(fā)生時(shí)，將首先吸收極大的能量，應(yīng)力特別集中，容易首先招致破壞，從而引起整體結(jié)構(gòu)的破壞。同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻，水平荷載作用下應(yīng)力分布將比較均勻，有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實(shí)現(xiàn)。

2、合理的建筑結(jié)構(gòu)體系選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)體系選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)構(gòu)方案的選取是否合理，對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性起決定的作用。

（1）結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑：樓屋蓋梁系的布置，應(yīng)盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱上去。豎向構(gòu)件的布置，應(yīng)盡量使豎向構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的壓應(yīng)力水平按近均勻，以避免豎向構(gòu)件之間壓應(yīng)力的二次轉(zhuǎn)移。而垂直重力荷載下豎向構(gòu)件壓應(yīng)力水平接近均勻是最合理優(yōu)化的結(jié)構(gòu)選擇。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的布置，應(yīng)盡量做到使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來(lái)的垂直重力荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換層1次至多2次轉(zhuǎn)換，即能傳遞到下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件上去。整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)必須體系明確，傳力直接。抗側(cè)力結(jié)構(gòu)一般由框架、剪力墻、筒體、支撐等組成，它們宜盡量貫通連續(xù)，若它們沿豎向要有變化，則變化要緩慢均勻。

（2）結(jié)構(gòu)體系宜有多道抗震防線，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是具有良好性能的多道防線的抗震結(jié)構(gòu)，其中剪力墻既是主要抗側(cè)力構(gòu)件，又是第一道抗震防線。因此，剪力墻應(yīng)有相當(dāng)數(shù)量，其承受的結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩不應(yīng)小于底部總地震傾覆力矩的50%。同時(shí)，為承受剪力墻開(kāi)裂后重分配的地震作用，任一層框架部分按框架和墻協(xié)同工作分配的地震剪力，不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5倍兩者的較小值。剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻可以通過(guò)合理設(shè)置連梁（包括非建筑功能需要的開(kāi)洞）組成多肢聯(lián)肢墻，使其具有優(yōu)良的多道抗震防線性能。連梁的剛度、承載力和變形能力應(yīng)與墻肢相匹配，避免連梁過(guò)強(qiáng)而使墻肢產(chǎn)生較大拉力而過(guò)早出現(xiàn)剛度和承載力退化。一般情況下，聯(lián)肢墻宜采用弱連梁。

（3）結(jié)構(gòu)體系宜具有合理的剛度，主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度合理是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。首先，主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度要滿足規(guī)范規(guī)定的水平位移、整體穩(wěn)定、強(qiáng)度延性的要求，保證高層建筑結(jié)構(gòu)能正常工作，這是高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度的下限值，必須滿足。但是，總結(jié)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度不宜過(guò)大，應(yīng)該合理，這是因?yàn)椋汉侠淼母邔咏ㄖ黧w抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度以滿足和略大于規(guī)范限值即可，結(jié)構(gòu)的延性和安全儲(chǔ)備主要依靠合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和精心的設(shè)計(jì)。主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大，結(jié)構(gòu)的基本自振周期較短，地震作用加大，結(jié)構(gòu)承受的水平力、傾覆彎矩加大，地基基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)加大，此時(shí)結(jié)構(gòu)的截面和相應(yīng)的構(gòu)造配筋增加較大，不經(jīng)濟(jì)。

3、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)

為提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性水平，避免脆性破壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置為“強(qiáng)柱弱梁”。②剪壓比限制。現(xiàn)行的鋼筋混凝土構(gòu)件斜截面受剪承載力的設(shè)計(jì)表達(dá)式，是基于斜截面上箍筋基本能達(dá)到抗拉屈服強(qiáng)度，其受剪承載力隨配箍特征值的增長(zhǎng)呈線性關(guān)系。試驗(yàn)表明，配箍特征值過(guò)大時(shí)箍筋不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度，構(gòu)件將呈腹部混凝土斜壓破壞;同時(shí)剪壓比對(duì)構(gòu)件變形性能也有顯著影響，因此限制剪壓比，實(shí)質(zhì)上也是對(duì)構(gòu)件最小截面的要求。③鋼筋混凝土框架的梁、柱應(yīng)避免剪切破壞，即形成“強(qiáng)剪弱彎”。④軸壓比限制。軸壓比是控制偏心受拉邊鋼筋先到抗拉強(qiáng)度，還是受壓區(qū)混凝土邊緣失達(dá)到其極

限壓應(yīng)變的主要指標(biāo)。試驗(yàn)研究表明，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，尤其在高軸壓比下，增加箍筋對(duì)改善柱變形能力的作用并不甚明顯。所以，抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)限制偏心受壓構(gòu)件的軸壓比。⑤注意其他影響構(gòu)件延性的因素，如剪跨比、縱向鋼筋配筋率、配箍率和箍筋型式、混凝土和鋼筋材料、鋼筋連接和錨固方式等，均應(yīng)滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

結(jié)語(yǔ)

高層建筑是城市未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，所以，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的安全及抗震性的研究是十分必要的。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工程抗震概念各方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，作出正確的工程判斷，找出結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)合理的最佳結(jié)合點(diǎn)，探求出一種實(shí)用可行的二步或三步設(shè)防的合理有效的抗震設(shè)計(jì)方法，以更好地適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

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