高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院資源與土木工程系測繪工程10-1【作者】摘要:對于一個高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計,遇到的問題可能錯綜復(fù)雜,只能具體問題具體分析。工程實踐表明在高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中,設(shè)計人員只有抗震概念清晰,構(gòu)造措施得當(dāng),應(yīng)用合適的結(jié)構(gòu)分析軟件三者有機結(jié)合才能取得比較理想的結(jié)果,在這個過程中抗震構(gòu)造重于結(jié)構(gòu)計算。本文對建筑抗震進行必要的理論分析,從而探索高層建筑的設(shè)計理念、方法,采取必要的抗震措施。

關(guān)鍵詞:高層建筑;抗震;結(jié)構(gòu)設(shè)計;探討引言

現(xiàn)階段,土與結(jié)構(gòu)物共同工作理論的研究與發(fā)展使建筑抗震分析在概念上進一步走向完善,如果可以在結(jié)構(gòu)與地基的材料特性,動力響應(yīng),計算理論,穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)諸方面得到符合實際的發(fā)展,自然會在建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域內(nèi)起到重要的作用。

1高層建筑發(fā)展概況

80年代,是我國高層建筑在設(shè)計計算及施工技術(shù)各方面迅速發(fā)展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑,建筑層數(shù)和高度不斷增加,功能和類型越來越復(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上海錦江飯店,它是一座現(xiàn)代化的高級賓館,總高153.52m,全部采用框架一芯墻全鋼結(jié)構(gòu)體系,深圳發(fā)展中心大廈43層高165.3m,加上天線的高度共185.3m,這是我國第一幢大型高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。進入90年代我國高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工技術(shù)進入了新的階段。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幅很大有一個飛躍。深圳于1995年6月封頂?shù)牡赝醮髲B,81層高,385.95m為鋼結(jié)構(gòu),它居目前世界建筑的第四位。

2建筑抗震的理論分析

2.1建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范

建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范實際上是各國建筑抗震經(jīng)驗帶有權(quán)威性的總結(jié),是指導(dǎo)建筑抗震設(shè)計(包括結(jié)構(gòu)動力計算,結(jié)構(gòu)抗震措施以及地基抗震分析等主要內(nèi)容)的法定性文件它既反映了各個國家經(jīng)濟與建設(shè)的時代水平,又反映了各個國家的具體抗震實踐經(jīng)驗。它雖然受抗震有關(guān)科學(xué)理論的引導(dǎo),向技術(shù)經(jīng)濟合理性的方向發(fā)展,但它更要有堅定的工程實踐基礎(chǔ),把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點冒險和不實。正是基于這種認識,現(xiàn)代規(guī)范中的條文有的被列為強制性條文,有的條文中用了“嚴禁,不得,不許,不宜”等體現(xiàn)不同程度限制性和“必須,應(yīng)該,宜于,可以”等體現(xiàn)不同程度靈活性的用詞。

2.2抗震設(shè)計的理論

擬靜力理論。擬靜力理論是20世紀(jì)10～40年代發(fā)展起來的一種理論,它在估計地震對結(jié)構(gòu)的作用時,僅假定結(jié)構(gòu)為剛性,地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心上。地震力的大小當(dāng)于結(jié)構(gòu)的重量乘以一個比例常數(shù)(地震系數(shù))。

反應(yīng)譜理論。反應(yīng)譜理論是在加世紀(jì)40～60年代發(fā)展起來的,它以強地震動加速度觀測記錄的增多和對地震地面運動特性的進一步了解,以及結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特性的研究為基礎(chǔ),是加理工學(xué)院的一些研究我國《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2001)對建筑的抗震設(shè)防提出“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求,“三水準(zhǔn)”即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。當(dāng)遭遇第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時,結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段,建筑物處于正常使用狀態(tài)。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此,要求建筑結(jié)構(gòu)滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗算,要求建筑的彈性變形不超過規(guī)定的彈性變形限值。當(dāng)遭遇第二設(shè)防烈度地震即相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時,結(jié)構(gòu)屈服進入非彈性變形階段,建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞。但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此,要求結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有阅芰?變形能力)不發(fā)生不可修復(fù)的脆性破壞。當(dāng)遭遇第三設(shè)防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時,結(jié)構(gòu)雖然破壞較重,但結(jié)構(gòu)的非彈性變形離結(jié)構(gòu)的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴重破壞,從而保障了人員的安全。因此,要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規(guī)定的彈塑性變形限值。

三個水準(zhǔn)烈度的地震作用水平,按三個不同超越概率(或重現(xiàn)期)來區(qū)分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重現(xiàn)期50年;設(shè)防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重現(xiàn)期475年;罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重現(xiàn)期1641-2475年,平均約為2000年。

對建筑抗震的三個水準(zhǔn)設(shè)防要求,是通過“兩階段”設(shè)計來實現(xiàn)的,其方法步驟如下:第一階段:第一步采用與第一水準(zhǔn)烈度相應(yīng)的地震動參數(shù),先計算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng),與風(fēng)、重力荷載效應(yīng)組合,并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù),進行構(gòu)件截面設(shè)計,從而滿足第一水準(zhǔn)的強度要求;第二步是采用同一地震動參數(shù)計算出結(jié)構(gòu)的層間位移角,使其不超過抗震規(guī)范所規(guī)定的限值;同時采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施,保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而自動滿足第二水準(zhǔn)的變形要求。第二階段:采用與第三水準(zhǔn)相對應(yīng)的地震動參數(shù),計算出結(jié)構(gòu)(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié))的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規(guī)范的限值。并采用必要的抗震構(gòu)造措施,從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。

3.3高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法

我國的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)對各類建筑結(jié)構(gòu)的抗震計算應(yīng)采用的方法作了以下規(guī)定:高度不超過40m,以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu),以及近似于單質(zhì)點體系的結(jié)構(gòu),可采用