我國(guó)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

王麗霖

我國(guó)高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

王麗霖

闡述了我國(guó)高層建筑的發(fā)展情況,通過(guò)對(duì)建筑抗震進(jìn)行理論分析,進(jìn)而探索了高層建筑抗震設(shè)計(jì)理念及方法,并提出了抗震措施,以達(dá)到改善建筑物抗震性能的目的。

高層建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),抗震性能

地震作用影響因素極為復(fù)雜,它是一種隨機(jī)的、尚不能準(zhǔn)確預(yù)見(jiàn)和準(zhǔn)確計(jì)算的外部作用,目前規(guī)范給出的計(jì)算方法還是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法,要進(jìn)行精確的抗震計(jì)算還有一定的困難,因此高層建筑抗震安全問(wèn)題必須引起建筑師們的高度重視,及時(shí)采取有效措施,防患于未然。

1 我國(guó)高層建筑發(fā)展概況

20世紀(jì) 80年代,是我國(guó)高層建筑在設(shè)計(jì)計(jì)算及施工技術(shù)各方面迅速發(fā)展的階段。各大中城市普遍興建高層或超高層以鋼筋為主的建筑,建筑層數(shù)和高度不斷增加,功能和類(lèi)型越來(lái)越復(fù)雜,結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有深圳發(fā)展中心大廈 43層高165.3m,加上天線(xiàn)的高度共 185.3m,這是我國(guó)第一幢大型高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。進(jìn)入 90年代我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)入了新的階段,不僅結(jié)構(gòu)體系及建筑材料出現(xiàn)多樣化,而且在高度上長(zhǎng)幅很大有一個(gè)飛躍。東方明珠廣播電視塔,坐落在中國(guó)上海浦東新區(qū)陸家嘴,毗鄰黃浦江,與外灘隔江相望。建筑動(dòng)工于 1991年,于 1994年竣工,投資總額達(dá) 8.3億元。高 467.9m,亞洲第一,世界第三高塔。

2 建筑抗震的理論分析

建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范實(shí)際上是各國(guó)建筑抗震經(jīng)驗(yàn)帶有權(quán)威性的總結(jié),是指導(dǎo)建筑抗震設(shè)計(jì)的法定性文件。它既反映了各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的時(shí)代水平,又反映了各個(gè)國(guó)家的具體抗震實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。它雖然受抗震有關(guān)科學(xué)理論的引導(dǎo),向技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的方向發(fā)展,但它更要有堅(jiān)定的工程實(shí)踐基礎(chǔ),把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點(diǎn)冒險(xiǎn)和不實(shí)。

其中動(dòng)力理論是 20世紀(jì) 70年代～80年代廣為應(yīng)用的地震動(dòng)力理論。它的發(fā)展除了基于 60年代以來(lái)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)外,人們對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)在地震作用下的線(xiàn)性與非線(xiàn)性反應(yīng)過(guò)程有了較多的了解,同時(shí)隨著強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站的不斷增多,各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄也不斷增多。進(jìn)一步動(dòng)力理論也稱(chēng)地震時(shí)程分析理論,它把地震作為一個(gè)時(shí)間過(guò)程,選擇有代表性的地震動(dòng)加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入,建筑物簡(jiǎn)化為多自由度體系,計(jì)算得到每一時(shí)刻建筑物的地震反應(yīng),從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

3.1 應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求,不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。合理的建筑布置在抗震設(shè)計(jì)中是頭等重要的,提倡平、立面簡(jiǎn)單對(duì)稱(chēng)。因?yàn)檎鸷Ρ砻?對(duì)稱(chēng)建筑在地震時(shí)較不容易破壞,容易估計(jì)出其地震反應(yīng),宜于采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理。

3.2 抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持的原則

3.2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能

1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱(墻)”的原則。2)對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位,應(yīng)采取措施提高抗震能力。3)承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

3.2.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線(xiàn)

1)一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成,并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。例如框架—剪力墻結(jié)構(gòu)由延性框架和剪力墻兩個(gè)分體組成,雙肢或多肢剪力墻體系組成。2)強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震,如只有一道防線(xiàn),則在第一次破壞后再遭余震,將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度,有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū),主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度,以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量,提高結(jié)構(gòu)抗震性能,避免大震時(shí)倒塌。3)適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系,同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后,其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段,使“有效屈服”保持較長(zhǎng)階段,保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。4)在抗震設(shè)計(jì)中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng),可能造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對(duì)薄弱,因此在設(shè)計(jì)中不合理的加強(qiáng)以及在施工中以大帶小,改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋的做法,都需要慎重考慮。

3.3 抗震措施

有抗震設(shè)防要求的高層建筑除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度要求外,還要滿(mǎn)足延性的要求。鋼筋混凝土材料本身自重較大,所以對(duì)于高層建筑的底層柱,隨著建筑物高度的增加,其所承擔(dān)的軸力不斷增加,而抗震設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明確的延性要求,在層高一定的情況下,提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內(nèi)而不能過(guò)大,這樣則必然導(dǎo)致柱截面的增大,從而形成短柱,甚至成為剪跨比小于 1.5的超短柱。眾所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱幾乎沒(méi)有延性,在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí),很容易發(fā)生剪切破壞而造成結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。

3.3.1 使用復(fù)合螺旋箍筋

高層建筑框架柱的抗剪能力是應(yīng)該滿(mǎn)足剪壓比限值和“強(qiáng)剪弱彎”要求的,柱端的抗彎承載力也是應(yīng)該滿(mǎn)足“強(qiáng)柱弱梁”要求的。對(duì)于短柱,只要符合“強(qiáng)剪弱彎”和“強(qiáng)柱弱梁”的要求,是能夠做到使其不發(fā)生剪切型破壞的。因此,使用復(fù)合螺旋箍筋來(lái)提高柱子的抗剪承載力,改善對(duì)混凝土的約束作用,能夠達(dá)到改善短柱抗震性能的目的。

3.3.2 采用分體柱

由于短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多,在地震作用下往往是因剪壞而失效,其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。因此,可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度,使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度,這樣,在地震作用下,柱子將首先達(dá)到抗彎強(qiáng)度,從而呈現(xiàn)出延性的破壞狀態(tài)。人為削弱抗彎強(qiáng)度的方法,可以在柱中沿豎向設(shè)縫將短柱分為各柱肢組成的分體柱,分體柱的各柱肢分開(kāi)配筋在組成分體柱的柱肢之間可以設(shè)置一些連接鍵,以增強(qiáng)它的初期剛度和后期耗能能力。一般連接鍵有通縫、預(yù)制分隔板、預(yù)應(yīng)力摩擦阻尼器、素混凝土連接鍵等形式。

對(duì)分體柱工作性態(tài)的理論分析和試驗(yàn)研究表明：采用分體柱的方法雖然使柱子的抗剪承載力基本不變,抗彎承載力稍有降低,但是使柱子的變形能力和延性均得到顯著提高,其破壞形態(tài)由剪切型轉(zhuǎn)化為彎曲型,從而實(shí)現(xiàn)了短柱變“長(zhǎng)柱”的設(shè)想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比入蕊的超短柱的抗震性能。分體柱方法已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。3.3.3 提高短柱的受壓承載力

提高短柱的受壓承載力可減小柱截面、提高剪跨比,從而改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。減小柱截面和提高剪跨比,最直接的方法就是提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí),即采用高強(qiáng)混凝土來(lái)增加柱子的受壓承載力,降低其軸壓比;但由于高強(qiáng)混凝土材料本身的延性較差,采用時(shí)須慎重或與其他措施配合使用。此外,可以采用鋼骨和鋼管混凝土柱以提高短柱的受壓承載力。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段,我國(guó)高層建筑的抗震設(shè)防仍然處在摸索階段,盡管通過(guò)實(shí)踐積累了一些經(jīng)驗(yàn),但建筑抗震分析在概念上還需進(jìn)一步完善,如果可以在結(jié)構(gòu)與地基的材料特性,動(dòng)力響應(yīng),計(jì)算理論,穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)等方面得到符合實(shí)際的發(fā)展,自然會(huì)在建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域內(nèi)起到重要的作用。

[1]呂西林.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2007.

[2]朱鏡清.結(jié)構(gòu)抗震分析原理[M].北京：地震出版社,2002：11.

[3]徐 宜,丁勇春.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的探討[J].江蘇建筑,2009(7)：63-64.

[4]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.

Initial discussion on the anti-seism ic structure design for domestic high-rise building

WANG Li-lin

This paper expounds the development condition of domestic high-rise buildings,by theoretically analyzing anti-seismic of architectures,further explores the anti-seism ic design concept andmethods of high-rise building,and points out the anti-seismic measures,so as to achieve the goal of improving the anti-earthquake performance of buildings.

high-rise building,structural design,anti-seismic performance

TU973.31

A

1009-6825(2011)03-0040-02

2010-09-28

王麗霖(1984-),女,助教,信陽(yáng)農(nóng)業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校管理系,河南信陽(yáng) 464000