高层结构抗震设计浅谈

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摘要：我国属地震多发国家,需要考虑抗震设防的地域辽阔, 随着各类高层建筑正在广泛的进入现代人类生活当中，结构的抗震性能的研究显得更为重要。

关键词：高层建筑抗震设计框架结构体系 剪力墙结构体系

Abstract: China is an earthquake-prone country, it needs to consider the vast earthquake-proof, with various types of tall buildings are widely in modern human life, study on the seismic performance of structures is very important.

Keywords: seismic design of high-rise building frame shear wall structure system

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。地震具有突发性的特点,至今可预报性仍然很低。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国属地震多发国家,需要考虑抗震设防的地域辽阔, 随着各类高层建筑正在广泛的进入现代人类生活当中，结构的抗震性能的研究显得更为重要。

按照目前新修订的2010抗震设计规范(GB 50011-2010)设计的建筑物的抗震能力较以前各规范有大幅提高,其技术含量达到国际先进水平。但由于受国家经济实力等等的限制,安全可靠度的设置仍低于欧美等发达国家。

为了取得高层建筑结构良好的抗震性能，必须对抗震规范制定的基本思想、原则有清晰的理解。

首先在地震作用下, 不能一味的追求结构的强度,而忽视了结构的延性。

地震分为小震、中震和大震。对于偶然性和随机性很大的地震荷载,要想使结构强度一定大于结构反应,几乎是不可能的,而且是十分不经济的。这就决定了抗震设计的基本原则,在我国即通常所说的“小震不坏,中震可修,大震不倒”。

在“小震”作用下,要求结构不受损伤或不需修理仍可继续使用。从结构抗震分析角度来说,就是要求结构在“小震”作用下保持（或基本保持）弹性反应状态, 侧向变形应控制在合理的限制范围以内，不致使建筑物破坏。应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时,具有足够的强度,使其基本上处于弹性状态。并通过验算小震作用下的弹性位移共同来保证结构不坏。处于这个阶段的结构构件不会发生明显的非线性变形,也不必需要采取特殊的构造措施。

中震大概相当于我们的设防烈度地震,当遭遇到中震作用时,结构可以有一定程度的损坏,经修复或不经修复仍可继续使用。从经济角度来说,维修费用不能太高。结构的某些关键部位超过弹性强度,进入屈服,发生较大变形,达到非线形阶段,这时,我们就特别提出延性要求(延性指当地震迫使结构发生较大的非线性变形时,结构仍能维持其初始强度的能力,是结构超过弹性阶段的变形能力,它是结构抗震能力强弱的标志。它包括承受极大变形的能力和靠滞回特性吸收能量的能力,它是抗震设计当中一个非常重要的特性)。因为结构具有非弹性特征,某些关键部位超过其弹性强度,进入塑性状态。由于它有一定的延性,它的非线性能够承担塑性变形,使它在变形中能够耗费和吸收地震能量。代价是可能导致较宽的裂缝,混凝土表皮起壳、脱落,可能有一定的残余变形,但不至于导致安全失效,以达到中震可修的设防目标。处于这个阶段的结构,对延性就会提出相应的要求,而延性就要靠精心设计的细部构造措施来保证。

对发生概率极小的罕遇大震(“大震”的烈度比设防烈度约高一度左右) 。要求当结构在遭遇“大震”作用时,不应倒塌或发生危及生命的严重破坏。这时结构的非线性变形非常大,也可能发生不可修复的破坏。处于这个阶段的结构就需要通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。

所以,通常我们只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合,验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形。而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力(即延性) 来抵抗。所以结构延性对建筑抗震是极其重要的。

其次地震力降低系数的大小决定了设计地震力取值的大小,从而决定了对延性要求的大小

用于承载力设计的地震作用可以取到小震水平,当更大的地震来临的时候,则靠结构的延性去抵抗。所以,我们并不取用设防烈度地震作用力来进行结构承载力设计,而需要把设防烈度地震力降低一个系数,称为地震力降低系数。

地震力降低系数取得越大,设计地震作用就取得越小。那么按此小的地震作用设计出来的结构的屈服水准就越低,意味着结构在相应强烈程度地震下形成的非弹性变形就越大,这就要求结构具有较大的延性来保证它较大的非弹性变形的实现。

目前规范规定把设防烈度地震作用降低约3倍来进行承载力设计,即设防烈度地震作用反应谱除以3而得到设计所用的反应谱。并且按设防烈度从大到小对结构延性提出了从高到低的要求,具体是用抗震等级来表示,共分为一级、二级、三级、四级四个等级。

再次“性能设计法”已为大家逐步接受。通过性能设计法以选择不同构件各自的性能目标。在地震作用影响产生大变形的情况下,能够形成较好的耗能机制

框架结构体系:通过合理设计,可以把框架结构做成延性框架。在大震作用下,通过先出现梁铰、后出现柱铰这样一种耗能机构耗散大量的地震能量,结构能够承受一定的侧向变形。但是我们同时也看到由于纯框架的抗侧刚度较小,造成的侧移值比较大,因此建造高度不宜太高。非结构构件比如填充墙在地震作用下,也会影响到主体安全。

剪力墙结构体系:剪力墙结构的承载力及刚度都很大,侧移变形小。适用于框架结构构件的非线形抗震性能的原理总体上也可以用于剪力墙,也可以把剪力墙设计成为延性剪力墙。剪力墙中不论是墙肢还是连梁,它的截面的特点是短而高,这类构件对剪切变形相当敏感,容易出现裂缝,容易出现脆性的剪切破坏。所以在抗震结构中应避免采用矮墙。对于悬臂墙的能量耗散,主要是通过墙底出现塑性铰来进行的。而对于联肢墙,经过合理地设计开洞位置,使它的能量耗散机理与具有强柱弱梁的梁铰机构相似,形成强墙弱梁,即连梁梁端出铰,墙底出铰。同框架设计的强剪弱弯一样,连梁及墙肢也需要通过“强剪弱弯”来提高其抗剪承载能力,推迟剪切破坏,从而改善其延性。

框架-剪力墙结构体系:是把框架和剪力墙结合在一起共同抵抗竖向和水平荷载的一种体系,它利用剪力墙的高抗侧力刚度和承载力,弥补框架结构抗侧刚度差,变形较大的弱点。由于剪力墙与框架协同工作,改善了纯框架和纯剪力墙的变形性能,总变形减小,层间变形减小,而且上下趋于均匀,框架上下各层柱的受力也比较均匀。另外,在地震作用下,剪力墙承担了大部分剪力,框架只承担很小的一部分剪力,通常都是剪力墙先屈服,剪力墙屈服后将产生内力重分配,框架分配的剪力将会增大,如果地震作用继续增大,框架结构也会屈服,使之形成曲线分布吻合最好。

按照目前的规范要求，通过精心设计是能够做出保护人民生命安全的精品工程，使汶川、芦山地震悲剧不再重演。