對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探析

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 摘要：本文主要對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)布置與關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的抗震性能幾個(gè)問題進(jìn)行了探討。 

  　　關(guān)鍵詞：高層建筑；框架結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)    　　1 正確選擇合理的結(jié)構(gòu)體系    　　由于高層建筑中抗水平力成為設(shè)計(jì)的主要矛盾，因此采用何種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題。根據(jù)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的不同，鋼筋砼結(jié)構(gòu)主要可分為框架結(jié)構(gòu)、框架——剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)體系，這些體系的受力特點(diǎn)、抵抗水平力的能力，特別是抗震性能等有所不同，因此具有不同的適用范圍。    　　框架結(jié)構(gòu)由梁、柱構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成，框架梁和柱既承受垂直荷載，又承受水平荷載，并可為建筑提供靈活布置的室內(nèi)空間。當(dāng)建筑物層數(shù)較少時(shí)，水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響較小，采用框架結(jié)構(gòu)體系比較合理，當(dāng)層數(shù)較多時(shí)，由于框架結(jié)構(gòu)在水平力的作用下，內(nèi)力分布很不均勻，并存在著層間屈服強(qiáng)度特別弱的樓層，且由于框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面慣性矩相對較小，導(dǎo)致側(cè)向剛度較小，側(cè)向變形較大，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱層率先屈服，發(fā)生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發(fā)生破壞，除剪跨比較小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此框架結(jié)構(gòu)屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，使用高度受到限制，主要用于非抗震設(shè)計(jì)和層數(shù)相對較少的建筑中。剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)大的多，在水平力作用下側(cè)向變形小，空間整體性好。剪力墻結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)可分為單肢墻、小開口墻、聯(lián)肢墻，單肢墻和小開口墻的截面內(nèi)力完全或接近于按材料力學(xué)公式成直線分布規(guī)律，其平衡地震力矩只靠截面內(nèi)力偶負(fù)擔(dān)。聯(lián)肢墻則通過連系梁使許多墻肢共同工作，地震力矩可由多個(gè)墻肢的截面內(nèi)力矩與連梁對墻肢的約束力矩共同負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)原則是梁先屈服，然后墻肢彎曲破壞喪失承載內(nèi)力。當(dāng)連梁鋼筋屈服并且有延性時(shí)，即可吸收大量地震能量，又能繼續(xù)傳遞，彎矩和剪力，對墻肢有一定的約束作用。由于剪力墻結(jié)構(gòu)自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內(nèi)部大空間的要求。因此其更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數(shù)量，也可使室內(nèi)無外露梁柱，達(dá)到整體美觀。    　　框架——剪力墻結(jié)構(gòu)是指在框架結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位增設(shè)一些剪力墻，是剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，能提供建筑大開間的使用空間，是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結(jié)構(gòu)體系中，框架和剪力墻共同承擔(dān)水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須通過各層樓板使其變形一致，達(dá)到框架和剪力墻的協(xié)同工作。從受力特點(diǎn)看，剪力墻是以彎曲變形為主，框架是以剪切變形為主，由于變位協(xié)調(diào)，在頂部框架協(xié)助剪力墻抗震，在底部剪力墻協(xié)助框架抗震，其抗震性能由于較好的的發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)而大為提高。因此可以適用于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。    　　以上分析了三種常用的鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，通過分析比較看出，選擇高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系通常需要考慮的兩個(gè)主要原因是建筑物的高度和用途。    　　2 正確認(rèn)識(shí)高層建筑的受力特點(diǎn)，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型    　　高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來自任何方向，當(dāng)為均布荷載時(shí)，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當(dāng)為均布荷載時(shí)，側(cè)移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。    　　高層建筑有上述的受力特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中在滿足建筑功能要求和抗震性能的前提下，選擇切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)類型，使之在特定的物資和技術(shù)條件下，具有良好的結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)效果和建筑速度是非常必要的。高層建筑上常用的結(jié)構(gòu)類型主要有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋砼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有整體自重輕，強(qiáng)度高、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面相對較小，具有很好的延性，適合采用柔性方案的結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是造價(jià)相對較高，當(dāng)場地土特征周期較長時(shí)，易發(fā)生共振。與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，空間整體性好，造價(jià)低及材料來源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)各類建筑的要求，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其突出缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當(dāng)場地土特征周期較短時(shí)，易發(fā)生共振。因此，高層建筑采用何種結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)取決于所有結(jié)構(gòu)體系和材料特性，同時(shí)取決于場地土的類型，避免場地土和建筑物發(fā)生共振，而使震害更加嚴(yán)重。    　　3 選擇合理的結(jié)構(gòu)布置，協(xié)調(diào)好建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系    　　在高層建筑的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)布置一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：    　　1.應(yīng)滿足建筑功能要求，做到經(jīng)濟(jì)合理，便于施工。建筑物的開間、進(jìn)深、層高、層數(shù)等平面關(guān)系和體型除滿足使用要求外，還應(yīng)盡量減少類型，盡可能統(tǒng)一柱網(wǎng)布置和層高，重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)層。    　　2.高層建筑控制位移是主要矛盾，除應(yīng)從平面體型和立面變化等方面考慮提高結(jié)構(gòu)的總體剛度以減少結(jié)構(gòu)的位移。在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性及剛度，加強(qiáng)構(gòu)件的連接，使結(jié)構(gòu)各部分以最有效的方式共同作用；加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性，以減少由于基礎(chǔ)平移或扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的側(cè)移影響，同時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱部位和應(yīng)力復(fù)雜部位的強(qiáng)度。此外增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體寬度也可減少側(cè)向位移，在其它條件不變時(shí)，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑是不合適的，宜采用剛度較大的平面形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形、Y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑體型多樣化和結(jié)構(gòu)的要求有機(jī)地結(jié)合起來，又可形成側(cè)向穩(wěn)定的體系。    　　3.在地震區(qū)為了減少地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的整體和局部的不利影響，如扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中效應(yīng)，建筑平面形狀宜規(guī)正，避免過大的外伸或內(nèi)收，沿高度的層間剛度和層間屈服強(qiáng)度的分部要均勻，主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件，其截面尺寸、砼強(qiáng)度等級(jí)和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內(nèi)，應(yīng)糾正“增加構(gòu)件強(qiáng)度總是有利無害”的非抗震設(shè)計(jì)概念，在設(shè)計(jì)和施工中不宜盲目改變砼強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋等級(jí)以及配筋量。簡單地說就是使結(jié)構(gòu)各部分剛度對稱均勻，各結(jié)構(gòu)單元的平面形狀應(yīng)力求簡單規(guī)則,立面體型應(yīng)避免伸出和收進(jìn),避免結(jié)構(gòu)垂直方向剛度突變等。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠(yuǎn)，振動(dòng)不同步，應(yīng)使荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。尤其是布置樓電梯間時(shí)不宜設(shè)在平面凹角部位或端部角區(qū)，它對結(jié)構(gòu)剛度的對稱性有顯著的影響。    　　4 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能    　　由于高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設(shè)計(jì)，使建筑物達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達(dá)到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。    　　框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁!柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。    　　對于框架——剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強(qiáng)墻弱梁”的原則加強(qiáng)墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。    　　5 結(jié)束語    　　通過了高層建筑的受力特性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、抗震性能等多方面的概念設(shè)計(jì)，從而更加有效地構(gòu)造出新的措施與計(jì)劃，完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。