高層建筑結構抗震設計探討

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摘要:隨著經濟建設的快速發(fā)展，城市建筑的高度越來越高，體型變得更加復雜，同時建筑的抗震設計也顯得更加重要和復雜。本文對高層建筑結構抗震設計進行探討，重點分析了建筑抗震設計方法以及隔震結構設計，確保建筑的抗震效果。 

關鍵詞:高層建筑；抗震設計；隔震結構設計；應力；基礎  我國是遭受地震災害較為嚴重的國家之一，在汶川大地震之后，地震災害引起了人們的廣泛關注。隨著社會經濟的發(fā)展，城市建筑建筑的高度越來越高,體型變得更加復雜,抗震設計也變得愈加困難。“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設計理念是得到普遍認可的，在這種情況下，如何做好建筑的抗震設計是工程設計的重要話題。  1荷載與應力分析  1.1荷載與外力的種類  建筑的荷載指的是使結構或構件產生內力和變形的外力及其它因素，分為豎向荷載，以及水平荷載。此外，又分類為經常作用于建筑上的力，以及臨時作用于建筑物上的力(臨時荷載)。在結構設計上，因固定荷載產生的長期應力，以及在固定荷載上再加上臨時荷載時，視作短期產生的應力。對于在結構支承上的主要部分所施加的長期與短期的應力值，必須確定它們不得超過各容許應力值。  1.2荷載與結構因素  剛接乃指構件與構件之節(jié)點上的角度，即使受到外力使鋼架產生變形之后，其角度仍然不會產生變化的連接形式。而框架結構則是指各節(jié)點的構件由剛接而成的構架。在對應于豎向荷載的結構方式上，比框架結構更能夠加長跨距，或降低框架的重量。在對應于水平荷載方面的構件上來說，若與框架結構相比，由于能夠加強水平荷載，于是就被當作補強框架結構的抗震要素來使用。  1.3連接點的種類  在建筑結構上，支點與節(jié)點都是的重要連接點，我們把連接建筑地基與其他結構體的接點稱作支點，而把兩支以上之構件的交點就稱作節(jié)點。當構件上有外力作用時，在支點上產生反力的構件會維持靜止狀態(tài)。支點上所產生之反力的數(shù)量，會因支承方式而有差異，移動端在垂直于移動方向的方向上出現(xiàn)一個反力，回轉端在直交方向上出現(xiàn)兩個反力，固定端在直交的兩個方向與固定端彎矩的一個方向上產生反力。  1.4應力與變形  軸方向力是當外力作用于材軸方向時的應力，若在任意點上相互產生拉力時就稱作拉力，相互產生壓縮時就稱作壓力。剪力則是指外力想要從構件軸線呈垂直方向切斷構件之時，在任意點上產生之一對應力。彎矩是指外力想要對于構件產生彎曲作用時而在任意點上產生之一對彎矩。屈曲是指外力持續(xù)增加時的某一時刻急遽產生變形的現(xiàn)象。  2 基礎結構種類及施工方法  基礎的作用，乃是針對作用于建筑物的力，避免建筑物橫向移動、下陷，或浮起，在地基上堅固地支持建筑物。為了支承建筑物，基礎必須由擁有足夠支承力的堅固地基去支承。至于將支承地基設置于哪一個地層中，是基礎設計時的非常重要問題。另一方面，當結構體基礎的下沉量不均勻，且因位置不同下沉量出現(xiàn)差異時，就稱不均勻下沉。若發(fā)生不均勻下沉時，結構體就會傾斜，或在結構體重發(fā)生龜裂。  3 抗震設計  地震是難以預測以及精確計算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的堅固度，以及建筑物固有的周期而異。地震作用的大小被評估為靜態(tài)的水平力，通常都會隨著建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就會變小。對于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，會與其剛度成正比。  3.1施加于建筑物的地震作用  由震源傳來的地震波，當?shù)乇砀浇牡鼗杰浫鯐r就越會增強，而且隨著建筑物增高及固有周期變長時，搖動的力就變小，而且越到建筑物的上方樓層，搖動的力(加速度)就有變大的傾向。基于這些因素的考慮，定出施加于建筑物的地震作用，這被當作施加于建筑物各樓層的水平力來評估。  3.2抗震因素的配置  毫無疑問，建筑物會從各方向承受地震作用，如果將整體建筑物當作是二維框架的集合體去考慮力的傳遞就容易使人理解。與地震作用的水平方向平行的框架負擔著水平力，各層柱子與抗震墻等則按剛度比例負擔地震作用。  3.3構架的變形抵抗  對結構體施加水平力時，若超過其支承的彈性限度，變形就會急遽地增加，達到最大強度。在設計時，對于頻度高的地震，通常都停留在支承力的彈性極限以下，大地震時則不要超過其最大強度。  3.4構件的強度與韌性關系  強度大的抗震因素不需要韌性。墻壁與斜撐的韌性較小，框架構架的韌性較大。  3.5抗震因素平面上的平衡  抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用時容易產生伴隨扭力回轉的變形，剛性弱的部分就會產生很大的變形，使該部分的破壞有增大之虞。由于地震作用是屬于慣性力，因此力的作用中心要與重心一致。所謂的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心與抗震因素之剛度的中心(被稱作剛心)必須一致。即使平面上的剛性(框架的剛度)一致的建筑物，當它向后退縮時，由于下方樓層的重心會從中心偏離，將會產生失穩(wěn)。此外，如抗震墻與鋼骨框架之類的剛度大的抗震因素呈偏心配置的建筑物，就容易產生失穩(wěn)。  3.6抗震因素之剖面上的平衡  當抗震因素的剛度在上下方向不均勻，且硬樓層部與軟樓層部混合在一起時，地震作用就會集中于軟樓層部，使該樓層部分承受的力及變形變大，會有增大破壞之虞。尤其是二樓以上的部分墻壁多且一樓沒有墻壁的建筑物，稱作懸挑建筑物，有許多在地震時會發(fā)生一樓瓦解的破壞。建筑物由幾種構架構成，且各種構架的上下方向能夠采取平衡時則很理想，而以各層之框架的剛度總和采取平衡亦可。  4 隔震結構設計  一般的建筑物是由建筑物整體吸收地震動的振動能量。大地震時，會在大梁與柱子上發(fā)生損傷，并且有損壞建筑物功能之虞。另一方面，隔震結構的建筑物則是在建筑物下方設置一種地震時比其他層產生更大水平變形的“隔震層”，使得上層建筑物不容易與地基共振，同時集中吸收振動能量。由于振動能量不容易傳遞到上方建筑物，于是就降低大地震時產生損傷的可能性。這不僅能保護建筑物使用者的生命，也能夠使功能的維持以及收藏物的保護變得可能，也可緩和地震時的恐怖感。隔震層采用即使發(fā)生50mm~60cm之水平變形也無妨的構造。  4.1構成隔震層的隔震構件  （1）鉛制緩沖構件：利用高純度的鉛材料的塑性變形而制成的鉛緩沖器。除此之外，尚有利用摩擦原理的緩沖器，利用油通過小孔時的阻抗而成的緩沖器，以及利用黏滯體的剪斷阻抗原理而制成的緩沖器等。  （2）疊層橡膠：為了支承上方的建筑物，以及為了避免與地基共振，需要垂直方向堅硬，但水平方向柔軟的支座。疊層橡膠是將厚度數(shù)毫米的橡膠與鋼板交互重疊接合，施加熱與壓力，發(fā)揮橡膠特有的彈性，就能夠滿足這個條件。  （3）鋼制緩沖構件：在隔震層吸收振動能量，擔任衰減振動的作用而制成的緩沖構件。由于隔震層在水平方向產生很大的變形，因此根據(jù)變形狀況，采用將振動能量消耗的機制方為合理。  鋼條緩沖構件是利用鋼料的塑性變形。  4.2地震時建筑物搖動的比較  （1）隔震結構的建筑物：由于隔震層在水平方向極為柔軟，于是地震時的大部分變形都集中在隔震層上?？删徍蜕喜拷Y構的搖動，也不容易引起家具的傾倒及外墻的剝離，而且?guī)缀醪粫l(fā)生柱子與梁的損傷。適用于步行困難者利用的設施。  （2）一般的建筑物：一般的建筑物在地震時會將振動傳遞到整個建筑物，于是家具就會傾倒、外墻剝離，而且柱子與梁也產生損傷，各個樓層發(fā)生幾乎相同程度的變形。  （3）部分樓層柔軟的建筑物：如一樓挑空、二樓以上墻壁多的建筑物，當某一樓層比其他樓層柔軟時，地震時的變形就集中于柔軟的樓層，因此會有崩塌之虞。崩塌之樓層會出現(xiàn)極大的損害，縱然其他樓層的破壞較少，但是建筑物卻變得無法使用。  4.3隔震層的位置  根據(jù)建筑物的功能與結構性質去選擇隔震層的位置?；A的隔震需要基坑，但是其與非隔震層部分之間的銜接，采用最低限度，就能夠給建筑物整體帶來隔震的效果。中間隔震層的電梯與樓梯的連接困難，適用于地下樓層多的情況，或無法設置基坑的情況時，還有地震時上方樓層比特定樓層更容易振動的構造的情況時。這類情況之下，隔震構件需要防火包覆。  4.4隔震構件的能力與特性  大變形時的垂直支承能力：隔震構件要求即使在大變形時也能夠確實支承建筑物的質量。疊層橡膠需要設計成當最大變形發(fā)生時重疊部分不得小于直徑1／2以下的尺寸。采用直徑小的疊層橡膠時，必須采用在大變形時可支承建筑物之質量的構造。  5 結束語  目前，建筑業(yè)發(fā)展迅速，高層建筑也不斷增加，對建筑的抗震設計的要求越來越高。建筑的抗震設計方案要根據(jù)建筑物體型、結構特點、荷載性質和地質條件等綜合分析。  參考文獻  [1] 吳炳 傅承誠，高層建筑結構抗震設計的討論[j]科技與生活，2011.08