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关键词:高层建筑;抗震设计;问题;策略
1引言
随着社会经济的快速发展,我国城市化进程不断加快,城市中随处可见高楼林立,加之世界人口数量的激增,为了给人类提供拥有更多的建筑空间,高层建筑规模越来越大,建筑层数也不断提高。与此同时,随着建筑的复杂性和难度的增加,人们对于建筑安全的要求越来越高,特别是作为一个地震多发地区的国家,加之近几年自然灾害的频发,我国居民对于高层建筑的防震效果更加重视,这就对我国高层建筑的抗震设计带来了不小的挑战。因此,笔者认为,十分有必要对我国高层建筑的抗震设计中存在的问题进行研究,并寻求合理的解决途径,以期能够提高我国高层建筑抗震能力。
2高层建筑抗震设计中存在的问题
2.1高度规范问题
虽然我国有相关的法律法规和政策文件对建筑物的高度规范做出了明确的、具体的规定,而且为了保证高层建筑的安全性,针对不同级别的高层的混凝土的建筑结构技术也有不同级别的高层建筑设置规范,但从我国现阶段各个建筑单位的实际执行情况来看,很多房地产开发商为了追求经济利益,使得高层建筑的高度远远超过了科学合理的范围,以至于在遭遇地震时,这些违规高层建筑会成为“众矢之的”,不能有效抵抗地震威胁。
2.2抗震材料选用问题
我国虽然也是地震多发国家,但是与国际上发达国家在高层建筑时结构材料的选择还相差甚远。地震多发地区的建筑应当较多的采用钢架结构,以提高建筑的稳定性和安全性,但是我国很多地震区域的高层建筑仍然知识钢筋混凝土的普通结构,这种结构的抗震性能远不及钢结构。另外,对于建筑高度高于150m的高层,应当有三层支撑框架做支撑。而且随着科技的进步及钢铁产能的提高,新型钢质混凝土结构一般质量较轻,且能够在减少钢架结构尺寸的基础上,提高高层建筑的防震能力。
2.3抗震设计人才支撑问题
现阶段我国抗震设计领域的专业人才还很匮乏,很多抗震设计大多是借鉴国外的成功经验,国内设计者的自主创新能力较低。虽然国内很多高校和职教院校都开设了抗震设计专业类课程,但是由于我国缺乏实际施工实践经验,理论知识与实践能力的不扎实,课程结构的不全面等,使得我国建筑设计在抗震设计领域的人才十分匮乏,国内一些经典的高层建筑还不得不依赖国外的设计师来进行抗震设计和施工,抗震设计人才支撑不足。此外,我国抗震设计的抗震能力较差,抗震级别较低,还比不上发达国家的标准。我国的建筑架构设计安全系数还不高,因此,亟需相关部门对我国高层抗震设计做出更为符合我国国情和时代要求的标准,以提高我国高层建筑抗震设计的适宜性。
3我国高层建筑抗震设计优化策略
3.1采用位移的结构抗震方法进行设计
地震来临时,高层建筑都会因为受到地震能量作用而发生变形,还有一些建筑在施工过程中也会出现变形,所以,不论是在建筑施工还是在后期防震设计和建设过程中都应当设置合理的弹性变形结构,比如位移变形结构设计,通过改变纵地基层的位移来减少地震产生的位移,另外还应当对界面结构的应变分布处进行处理来加强变形部件之间的联系,提高抗震效果。此外,还可以在建筑周围建立一些巩固结构,减少地震直接对建筑物产生能量,减弱地震力。
3.2运用高延性结构来进行消震和隔震
高延性结构能够有效抵消地震力,并起到良好的隔震效果,因此,我国当前在建筑的防震设计及后期施工过程中,很多建设和施工单位都加强了结构的韧性、刚度,并对地震构造进行了科学的设计,提高高层建筑的结构韧性和刚度,减少地震带来的不利影响。地震过程是一种能量的释放过程,因此,需要高延性结构设计和施工来产生良好的消震和隔震效果,有效减少地震对房屋建筑的伤害。反过来讲,如果高层建筑的负载能力较差,高延性结构能够更多的过滤掉地震的能量,有效保证房屋的原有结构,避免建筑变形,而适宜的韧性能够大大降低房屋崩塌的发生率。因此,在对高层房屋建筑的设计和规划时,一定要运用先进的技术来提高房屋的抗震能力,比如阻尼器的设计原理就是通过吸收地震能量来减少对房屋建筑的冲击,而且还能监测地震对建筑的破坏程度,效果显著。
3.3建立多层地震防线
通过建立多层地震防线的方式能够提高高层建筑抗地震的性能,满足高层业主对于房屋安全的要求。当高层建筑在遭遇地震等恶劣自然灾害的影响时,如果只有一道地震防线,一旦遇到级别很高的地震,就难以阻挡地震的摧毁和破坏,因此,一定要设置出备用防线,在多层建筑中设置第二道、第三道防线,以防一道地震防线崩溃后造成建筑物的整体崩塌。高层建筑在进行抗震设计时,可以采用多段强框架结构,最常见的比如抗震剪力墙设计,该设计因其抗震性能好,因此被广泛的应用作为抗震墙的第一层防线,而且发挥着最为重要的作用。所以,为了保证墙体的抗震能力足以防止地震的损害,有效减少地震造成的墙体裂痕或者倒塌,就应当科学建立防震结构,多层防线形成合力。而且在地震以后,每一层的剪力墙所承受的负载力应当是设计预期最大剪力墙的两倍,或者要超过地震总剪力值的1/5.
4结束语
时代的发展让高层建筑已经成为我们司空见惯的建筑物,对其进行优化设计,提升其抗震能力也将会成为建筑行业未来发展的重要趋势。相关人员选用更加专业的材料,运用更加专业的技术手段提升建筑的抗震效果。同时,该行业人员也需要不断提升研发能力,让新型抗震材料进入到高层建筑抗震设计中,让高层建筑为人们的生活带来跟尾舒适、安全的居住环境。
参考文献:
[1]张罡睿.高层建筑工程抗震设计中的相关问题分析[J].门窗,2014(4):258~259.
关键词:高层建筑;建筑结构;抗震设计;设计应用
中图分类号:TU97文献标识码: A
引言
地震作为最严重的自然灾害之一,一旦发生,就会给社会带来巨大的人员伤亡和经济损失。近几年来,国内外地震灾害频发,无情地剥夺了上百万人的生命。而这些伤害基本上都是由于建筑物的倒塌引起的,尤其是高层建筑。若在建筑结构的设计当中能加强抗震概念的设计,将会从一定程度上减小损失。因此,如何才能够提高高层建筑的抗震性能的概念设计已经成为了建筑行业研究的重点工作。
一、抗震概念设计
传统的结构设计理论为建筑结构设计提供了一些计算方法,但是这些方法主要是针对结构设计中的一些细节,而忽略了对整体结构的考虑。因此,传统的结构设计理论并不能完全地适用于高层建筑的抗震设计,照本宣科式的结构设计不能满足现代建筑物的要求。在高层建筑的抗震设计当中,设计师们都会融入概念设计。抗震概念设计是指根据以往的工程经验和地震灾害的发生情况,从整体上研究工程项目的抗震决策,包括使用材料的种类、抗震方案以及结构的内部构造等等方面。
二、高层建筑结构设计中抗震概念设计的意义
高层建筑结构设计中应该非常重视抗震概念设计,因为高层建筑结构非常复杂,当发生地震时具有动力不确定性特点,人们对地震时对结构认识的局限性,再加上材料性能和施工安装的变易性、模拟地震波的模糊性等因素,导致计算结果和实际之间具有很大的差异。简单的依赖数值计算获得结构并不能有效的解决高层建筑的实际抗震问题,尤其是地质特征的差异性原因,导致许多国家甚至是地区指定的抗震规范都有明显的差异。高层建筑结构抗震概念设计在依据数值计算的基础上,还增加了实践经验元素,并且结构概念设计甚至比分析计算更重要,使得这一抗震设计理念能够满足区域差别下从事高层建筑结构设计的实际需求。强调高层建筑结构设计中抗震概念设计的重要性,其目的是为了引起高层建筑结构工程是在进行建筑结构设计时,特别重视相应的结构规程以及抗震概念设计中的相关规定,从而摆脱传统的结构设计中只重视计算结果的误区,要求结构工程师严格的按照结构设计计算原则,再结合地区的抗震规范,以此保证高层建筑结构的抗震性能。
三、高层建筑结构设计中抗震概念设计的原则
(1)结构的整体性。在高层建筑结构中,楼盖的整体性对高层建筑结构的整体性起到十分重要的作用,其相当于水平隔板,不仅要求聚集和传递惯性力至各个竖向抗侧力的子结构,还要求这些子结构具有较强的抗震能力,能够抵抗地震作用,尤其是当竖向抗侧力子结构的分布不均匀、结构布置复杂以及抗侧力子结构的水平变形特征存在差异时,整个高层建筑就依靠楼盖使抗侧力子结构进行协同工作。
(2)结构的简单性。结构的简单性指的是结构在地震作用下具有明确、直接的传力途径。在高层建筑抗震设计规范中明确规定“结构体系应该有明确的计算简图与合理的地震作用传递途径”,只有结构简单,才能对结构的位移、内力以及模型进行分析,准确的分析出高层建筑抗震的薄弱环节,然后采取相应的措施,避免薄弱环节的出现。
(3)结构的刚度。结构的刚度和抗震能力水平在地震作用下是双向的,确定结构的刚度,然后合理的布置结构能够抵抗任意方向上的地震作用。通常状况下,地结构沿着平面上两个主轴方向都应该具有足够的刚度与抗震能力,结构的刚度不仅仅应该控制结构的变形,还应该尽可能降低地震作用对高层建筑结构的冲击,如果结构发生较大的变形,将会产生重力二阶效应,导致结构失衡而被破坏,降低高层建筑的抗震可靠性,因此,在抗震概念设计中,应该重视结构的刚度设计。
(4)结构的规则性与均匀性。高层建筑的竖向和立面的剖面布置应该规则,结构侧向刚度的变化应该巨晕,避免侧向刚度以及抗侧力结构承载力的突变。沿着建筑物的竖向,机构布置和建筑造型应该规则和相对均匀,避免传力途径、刚度以及承载力的突变,防止结构在竖向上的某一楼或者少数楼层之间出现薄弱的环节。
四、抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用
(1)抗震概念设计应该重视高层建筑的结构规律。在高层建筑的抗震概念设计应用中,应该对高层建筑的体型设计进行科学的修正,保证在质量、刚度、对称、规则上分布均匀,保证设计的整体性,避免局部出现刚度过大的问题。高层建筑的结构布局对抗震概念设计具有十分重要的作用,简单、对称的建筑在地震中的应力分析和实际反映很容易做到,并且能够达到相一致,但是在凹凸的立面与错层设计的高层建筑中,当地震发生时将会产生复杂的地震效应,很难做到对高层建筑抗震效果的最佳分析。因此,高层建筑的抗震概念设计应该重视结构的规律性。
(2)抗震概念设计在结构体系上的应用。高层建筑抗震结构体系是抗震概念设计的关键,抗震概念设计在结构体系上的应用依据高层建筑物的高度以及抗震等级选择合适的抗侧力体系,通过概念近似手算确定结构设计方案的可行性以及主要构件的基本尺寸。抗震结构方案选择的合理性,直接影响建筑抗震概念设计的经济性与安全性。合理的选择建筑结构体系,应该注意以下三个方面:其一,选择建筑结构体系时,应该对因为部分结构或者部分构件的破坏而导致整体建筑结构体系丧失对抗震能力或者重力荷载的承载能力,应该坚持抗震设计原则中的赘余度功能和内力重分配功能,这一原则的重要性在许多建筑物地震后的实际状况中都得到了很好的印证;其二,选择建筑结构体系时,不仅仅应该要求建筑体系的受力明确、传力合理以及传力路线,还应该有合理的地震作用传递途径和明确的计算简图,这些都应该和不间断的抗震分析相符合;其三,其中延性是建筑结构中的重要特性之一,结构体系的变形能力取决于组成结构的构件和连接的延性水平,提高结构构件的延性水平,是提高高层建筑抗震设计概念在建筑结构设计应用中的重点问题,通过采用竖向和水平向混凝土构件,能够增强对砌体结构的约束,当配筋砌体在地震中即使产生裂缝也不会倒塌或者散落,保证高层建筑早地震中不至于丧失对重力荷载的承载能力。
(3)抗震概念设计在结构构件上的应用。高层建筑抗震的实现需要各个构件的支撑,因此,抗震结构体系中的各个构件都必须具有一定的刚度与强度,并且还应该具有可靠的连接性。高层建筑的结构体系是一个多层次超静定结构,因此其抗震结构也应该设置多道抗震防线,这样在地震作用下,即使一部分构件先被破坏,剩余的构件依然具备支撑的作用,形成独立的抗震结构,承受地震力与竖向荷载。因此,合理的预见高层建筑结构先屈服或者破坏的位置,适当的调整构件的强弱关系,形成多道抗震防线,实现对高层建筑结构体系的合理控制,这是结构抗震耗能的一种有效措施,是建筑抗震结构概念设计的重要内容。
结束语
高层建筑的结构设计不仅仅是种技术,某种程度上更是一门艺术。无论什么设计,它都没有唯一的答案,只有通过不断的比较、研究,才能找到最优方案。这就要求设计师们不懈努力地去追求完善的设计方案。随着社会的发展,高层建筑的设计已经不能盲目地照搬课本上的规范和计算机程序,需要创新。总而言之,一幢建筑物,要想做到“小震不坏,中震可修,大震不倒”,就应该要做好文中所提到的几个重点。高层建筑物中的抗震结构设计使建筑结构的设计更加人性化,更加合理化。除此之外,抗震概念设计不仅拓宽了建筑结构设计的思路,同时还为高层建筑的设计提供了新的方向,在建筑行业当中发挥了重要的作用。
参考文献
关键词:高层建筑,抗震设计,抗震结构,抗震技术
2008年的汶川地震和2010年的玉树地震对中国来说无不是沉重的打击,不但造成巨大的经济损失,更心痛的是有那么的生命离开了我们,这不得不让人们反思我们建筑的抗震设防能力。在地震中,几乎所有的建筑都倒塌了,相对于低层建筑而言,高层建筑破坏和倒塌的后果就更加严重。近年来国内国外高层、超高层建筑的高度不断攀升,就在2010年正式开放的哈利法塔的高度达到了惊人的828米,而且建筑的体型越来越复杂,不规则结构越来越多,这对于结构的抗震都是十分不利的。为保证高层结构的抗震安全,达到安全和经济的统一,有必要对高层结构的抗震设计、抗震结构和抗震技术进行探讨。
1.地震导致建筑破坏的原因
根据地震经验,地震期间导致高层建筑破坏的直接原因可分为以下三种情况:
(1)地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂缝或错位等地面变形,对其上部建筑的直接危害;
(2)地震引起的砂土液化、软土震陷等地基失效,对上面建筑物所造成的破坏;
(3)建筑物在地面运动激发下产生剧烈震动过程中,因结构强度不足、过大变形、连接破坏、构件失稳或整体倾覆而破坏;
2.建筑的抗震概念设计
所谓“建筑抗震概念设计”是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,依此进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。科技论文。
3.建筑抗震设计方法的发展过程
3.1、静力理论阶段
水平静力抗震理论始创于意大利,发展于日本,1900年日本学者大森房吉提出“震度法”的概念。该理论认为:结构物所收到的地震作用,可以简化为作用于结构的等效水平静力,其大小等于结构重力荷载乘以一个系数。
3.2、反应谱理论阶段
我国及国际上多数国家抗震设计规范本质上都采用了反应谱理论及结构能力设计原则。其主要特点如下:
(1) 用规范规定的设计反应谱进行结构线弹性分析。
(2) 结构构件的承载力是根据设计反应谱所作的结构线弹性计算通过荷载和地震作用效应组合后内力进行设计。
(3) 在早期方案设计阶段,结构体系、结构体型的规则性及结构的整体性满足规范的规定,以使结构能可靠地发挥非弹性延性变形能力。
3.3、动力理论阶段
1971年美国圣费南多地震的震害,使人们清楚地认识到“反应谱理论只说出了问题的一大半,而地震持时对结构破坏程度的重要影响没有得到考虑”,从而推动了采用地震加速度过程a(t)来计算结构反应过程的动力法的研究。此一新理论不但考虑了地震的持时,还更近一步地考虑了地震过程中反应谱所不能概括的其他特性。
4.高层建筑结构体系
设计地震区的高层建筑,在确定结构体系时,除了要考虑前面所提到的材料用量、建筑内部空间和使用的房屋高度等因素外,还需进一步考虑下列抗震设计准则:
(1)具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线;
(2)具备多道抗震防线,不会因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抵抗侧力或承受重力荷载的能力
(3)具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力,从而使结构体系遭遇地震时有足够的防倒塌潜力;
(4)沿水平和竖向,结构的刚度和强度分布均匀,或按需要合理分布,避免出现局部削弱或突变形成薄弱环节,从而防止地震时出现过大的应力集中或塑性变形集中。
在确定建筑方案的同时,应综合考虑房屋的重要性、设防烈度、场地条件、房屋高度、地基基础以及材料供应和施工条件,并结合体系的经济、技术指标,选择最合适的结构体系。
5.建筑抗震措施或设计
5.1、错开地震动卓越周期
一个场地的地面运动,一般均存在着一个破坏性最强的主振周期,如果建筑物的自振周期与这个卓越周期相等或相近,建筑物的破坏程度就会因共振而加重。地震动卓越周期又称地震动主导周期。
从众多的地震倒塌建筑物中可以看出,建筑周期与地震动卓越周期相接近,是引起建筑共振破坏的主要因素和直接原因。因此,在进行高层建筑设计时,首先要估计地震引起该建筑所在场地的地震动卓越周期;然后,在进行建筑方案设计时,通过改变房屋层数和结构类型,尽量加大建筑物基本周期与地震动卓越周期的差距。
5.2、采取基础隔震措施
传统的抗震方法是依靠结构的承载力和变形能力,来耗散地震能量,使结构免于倒塌,但由于是一种“被动防震”,就不免存在许多不足之处。地震对建筑的破坏作用,是由于地面运动激发起建筑的强烈振动所造成的,也就是说,破坏能量来自地面,通过基础向上部结构传递。人们总结地震经验后发现,地震时结构底部的有限滑动,能大幅度地减轻上部结构的破坏程度。科技论文。
基于可动概念的基础隔震方案很多,主要有:(1)软垫式隔震。在房屋底部设置若干个带铅芯的钢板橡胶隔振装置,使整个房屋坐落在软垫层上,遭遇地震时,楼房底面与地面之间产生相对水平位移,房屋自振周期加长,主要变形都发生在软垫块处,上部结构层间侧移变得很小,从而保护结构免遭破坏。(2)滑移式隔震。在房屋基础底面处设置钢珠、钢球、石墨、砂粒等材料形成的滑移层或滚动层,使建筑物遇地震时在该处发生较大位移的滑动,达到隔震目的。(3)摆动式隔震。科技论文。摆动式隔震方式实质上是柔性底层概念的改进和引伸。(4)悬吊式隔震。这一隔震方式的构思是,将整个建筑悬吊在支架下面,避免地震的直接冲击,从而大幅度较小建筑物所受到的地震惯力。
5.3、削减地震反应——提高结构阻尼
为了提高结构阻尼,可以在结构上设置阻尼器,以吸收地震输入的能量,减小结构变形。台北101大楼在87~92楼安装了一个巨大的钢球风阻尼器,是世界上目前最大的大楼风阻尼器,它的球体直径5.5米,由四十一层12.5厘米厚钢板结合为球形,重量660吨,可以有效减轻由于飓风和地震所引起的震动和侧移。
为高层建筑提供附加阻尼的另一新途径,是利用主体结构与刚性挂板之间特殊装置的非弹性性能和摩擦。采取这一措施后,可以使阻尼比仅为2%的抗弯钢框架,有效粘滞阻尼比增加到8%或更多,从而使底部地震剪力和顶点侧移降低50%。
此外,通过采用高延性构件和附设耗能装置也能有效削减地震反应。
6.高层建筑抗震技术发展展望
未来高层建筑的发展趋势,体型将更趋复杂,结构体系将更趋多样化。出于对建筑艺术上的要求,高层建筑的体型将会更为复杂和多样,许多高层建筑都是综合性的和多用途的,因此对建筑和结构必然提出新的更高的要求。从结构体系上看,也决不会停留在原有的几种形式上,而会更好地满足功能和艺术上的需求,创造出新的结构体系。
参考文献
[1]刘大海,杨翠如,钟锡根.高层建筑抗震设计.中国建筑工业出版社.
[2]谷连营,肖国梁.高层建筑抗震技术的发展概况.山西建筑,2006.8(15):50—51.
[3]王红霞.论高层建筑抗震概念设计.山西建筑,2007,12(35):74—75.
关键词:高层建筑;抗震设计;优化;汶川地震
Abstract: as people living standard rise ceaselessly, the acceleration of urbanization, high-rise buildings are applied widely, because of the complexity of the earthquake damage mechanism of the seismic design of high-rise building became difficult and focus. New in our country the code for seismic design of building GB 50011-2010 (hereinafter referred to as the new fight rules) and the concrete structures of tall building technical regulation JGJ 3-2010 (hereinafter referred to as high rules) already are scheduled to December 1, 2010, and October 1, 2011 implementation; Older the code for seismic design of building GB 50011-2001 (hereinafter referred to as the old fight rules) and the concrete structures of tall building technical regulation JGJ 3-2002 (hereinafter referred to as the old high rules) shall be repealed at the same time. New rules to improve the soil liquefaction discrimination formula; Adjusted the earthquake effect of damping coefficient curve, steel structure parameters of damping ratio and bearing capacity of seismic isolation structure adjustment system, the level of shock absorption coefficient calculation to etc. Will the new standard, the relevant clauses of the requirements as a constraint conditions into component optimization design of structure optimization design more close to the engineering practice.
Keywords: high building; Seismic design; Optimization; Wenchuan earthquake
中图分类号:TU352.1+1 文献标识码:A 文章编号:
高层建筑的发展与城市民用建筑的发展紧密相连,城市的用地紧张、人口集中以及商业的激烈竞争,都促进了人们对高层建筑的需求。然而我国属于躲地震国家,还成、唐山、汶川等地震都引发了国人严重的伤亡及财产的损失,地震是一种随机振动,有着难以把握的不确定性和复杂性,很难准确预测建筑物所遭遇地震的参数和特性,尤其是高层建筑物,其结构设计更是一项复杂且重大的工程,其设计效果将直接影响着高层建筑的经济合理性、安全性、适用性等,这一难点也早已受到世界各国学者的广泛关注。因此,为了确保高层建筑在罕见的地震中,不出现严重破坏及危机生命财产的倒塌现象,文中,笔者结合建筑抗震设计的新规范,将其规范约束引入抗震优化设计中,以便使结构优化设计更加符合工程要求,不足之处,还望斧正。
1. 高层建筑抗震设计的问题
在了解高层建筑抗震优化设计之前,必须先了解目前存在的问题,知道问题的所在,才能在具体的设计施工中进行相应改良和优化。
1.1高度问题
按照“新抗规及新高规”的要求,我国钢筋混凝土高层建筑的结构类型和最大适用高度应符合表-1的要求。对于平面和竖向均不规则的结构,适用的最大高度宜适当降低。
表-1 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度(m)
由此看来,在一定设防烈度和一定结构型式下,钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度。这个高度同时也是我国目前经济发展水平、建筑科研水平以及施工技术水平下较为稳妥的,与国内整个土建规范体系相协调的。然而实际施工中,很多混凝土结构高层建筑的高度超出了规定的限制。对于这些超高限建筑物,必须采取科学谨慎的态度:首先必须有专家论证,其次要有模型振动台试验。在地震力作用下,超高超限建筑物的变形破坏形态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加,许多影响因素也将发生质变,一些参数本身超出了现有规范的适宜范围,如延性要求、安全指标、荷载取值、材料性能等。
1.2 结构类型和材料选用问题
对于地震多发区,结构类型及材料的合理选用同样应得到人们的重视。目前我国150m以上的建筑,通常采用框-筒、筒中筒、框架-支撑三种结构类型,这些结构类型与国外其他国家的高层建筑采用的结构类型相一致。高层建筑中,还必须同时注意结构类型及材料的选用。现在我国钢材生产数量已较大,建筑钢材的类型及品种也在逐步增多,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此在有条件的地方,建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后,由于钢结构质量较小而且较柔,为减小风振需要采用混凝土材料,钢骨(钢管)混凝土,通常作为首选。
2.高层建筑结构抗震的优化策略
结构抗震设计中,可从建筑结构的规则性、建筑结构体系选择等方面入手,在抗震与消震结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计方法和指标,直至进一步通过一些结构措施来减震,即减小结构上的地震作用,使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能。
2.1 选择合理的建筑结构体系
高层建筑结构体系的选择是结构设计中的关键,结构方案是否合理,对经济型和安全性起决定的作用。结构平面形体(即建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化)宜简单、规则,质量、刚度和承载力分布宜均匀。首先,建筑结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径;其次,结构体系尽可设置多道抗震防线,并应考虑某一防线被突破后,引起内力重分布的影响。第三,结构应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能,主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度,承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要的耗能构件,同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后,其他抗侧力构件仍处于弹性阶段,使‘有约束屈服’保持较长阶段,保证结构的延性和抗倒塌能力。第四,合理的布置抗侧力构件,减少地震作用下的扭转效应。结构刚度、承载力沿房屋高度宜均匀、连续分布,避免造成结构的软弱或薄弱部位。第五,框架抗震设计应遵守“强柱弱梁,更强节点核心区”、“强剪弱弯”的原则。
2.2 必须重视建筑结构的规则性
高层建筑设计中应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能和经济合理性的影响,宜择优选用规则的形体,其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向宜均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小,避免侧向刚度和承载力突变。结构的规则性主要体现在以下几方面:
2.2.1高层建筑竖向抗侧力构件应连续,侧向刚度应均匀,楼层承载力不应突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变,这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏,尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。
2.2.2 高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度要比较接近、变形特性要比较相近。这是因为实际的高层建筑结构都是i维的,实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性,高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀,就能具有比较良好的抗震、抗风性。
2.2.3 高层建筑主体抗侧力结构的平面布置,应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀,应避免在主体结构的布置中设置一、二片刚度特别大而延性较差的结构,如长窄的实体剪力墙。此时,即使结构仍满足对称性和刚度的要求,但由于个别结构刚度巨大,地震发生时,将首先吸收极大的能量,应力特别集中,容易首先导致破坏,从而引起整体结构的破坏。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀,水平荷载作用下应力分布将比较均匀,有利于结构抗震延性的实现。
3. 结语
随着建筑高度的不断增加,影响建筑抗震设计要求的因素也日趋多元化,因此在结构设计中必须综合考虑各种因素,使结构具有更适宜的刚度、足够的强度以及良好的延性,以便达到科学经济合理的设计要求。
参考文献:
[1] 王丽丽,王洁茹.高层抗震的概念优化设计[J].河北建筑工程学院学报,2009,27(2):50-52.
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[3] GB50011―2010,建筑抗震设计规范[S].
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[6] 罗福午.建筑结构质量监督与控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[7] 张相庭.高层建筑抗风抗震设计计算[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
关键词: 高层结构,地震荷载,概念设计
我国是地震高发地区,如2008 年的汶川大地震和2010 年玉树地震都造成大量的房屋倒塌,不仅使经济遭到损失而且人员也有很多伤亡,同时也看到很多房屋尤其是高层建筑在巨大的灾难面前经受住了严峻的考验,这说明只要严格按照抗震设计规范来建造的建筑是能保障人民的生命财产安全的。然而高层建筑在地震时的损坏还是超出了我们的预期,因此高层建筑抗震设计是建筑物安全考虑的重要问题。现在我们抗震规范要求“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三个水平的设防目标,以上是建筑设计抗震最低要求,而我们在进行高层建筑结构抗震设计中,要结合地区烈度及等级来考虑高层建筑抗震要求,其中下面几个方面是优先考虑的。
1 建筑抗震的理论分析
拟静力理论。拟静力理论是20世纪10~40年展起来的一种理论,它在估计地震对结构的作用时,仅假定结构为刚性,地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)。
反应谱理论。反应谱理论是在加世纪40~60年展起来的,它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解,以及结构动力反应特性的研究为基础,是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。
动力理论。动力理论是20世纪70-80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外,人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解,同时随着强震观测台站的不断增多,各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论,它把地震作为一个时间过程,选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入,建筑物简化为多自由度体系,计算得到每一时刻建筑物的地震反应,从而完成抗震设计工作。
2 高层建筑抗震概念设计
目前我们对地震还知之甚少,建筑结构抗震设计理论目前还是以试验与简化后的理论结合来制定的,还有不少不足和待完善的地方,所以在结构抗震设计时常常通过软件数值计算,但只能从局部来解决。而结构抗震概念设计的目标是建筑物的整体结构在地震时能够发挥耗散地震能量的作用,通过结构合理布局,选择延性好,耗能强的结构体系来达到抗震设防目标。就是我们常说的强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件,这就要求我们考虑以下几个方面: 1) 要求采用受力明确,传力简单的结构体系; 2) 采取相应的抗震构造措施如加构造柱,圈梁,加强层,转化层等来达到抗震要求; 3) 选取合适强度同时有良好延性的建筑材料以及正确施工技术实现对高层建筑结构体系抗震性能的合理控制。
3 场地与基础
地震造成建筑的破坏首先考虑场地与基础,因场地造成的工程的震害是很难恢复以及处理的,对于场地选择尽可能避开断裂带和不利地段( 如软弱土,液化土,高耸孤立的山丘,半挖半填地基,断层破碎带等) ,如避免不了就要对场地地基进行加固处理( 如换土垫层法,重锤夯实法,强夯法,振动水冲法,深层挤密法,沙井预压法等) ,所以尽可能挑选对建筑抗震有利的地段( 如开阔平坦地带的坚硬场地或者密实均匀中硬场地) ,不仅有利于建筑抗震性能而且经济合理。对高层建筑抗震地基优先选择浅基础,并且同一结构体系不宜设在不同性质的地基上,同一建筑不宜采取两种以上的不同基础,同时要考虑建筑结构上部体系与地基基础相互作用关系。
4 选择良好的抗震结构体系
1) 高层建筑结构抗震体系选择不同于其他建筑布局,除了简单合理的结构布置,考虑其规则与对称,避免出现扭转与失衡情况,因此竖向结构布置应有规则的均匀变化,从上而下结构刚度逐渐变小,如果由于建筑要求而发生平面,刚度以及承载力局部的突变变为不规则体系时,我们要根据地震规范与高规以下几个方面来判断其是否规则: a. 扭转不规则; b. 抗扭刚度弱; c. 层刚度小; d. 平面不规则; e. 楼板不规则; f. 竖向刚度不规则,满足其中一项为不规则,满足其中三项为特别不规则,对于不规则结构要采取抗震措施来加强薄弱层的抗震性能,要进行超限高层建筑高层抗震设防的专项审查,此外对于多项指标超过抗震规范3. 4. 4 条为严重不规则建筑,应该与建筑设计人员沟通最好改变设计方案。2) 多道抗震设防。控制同一结构各构件或部件在地震中损坏或形成塑性铰的顺序而成的多道防御系统,使整个结构坏而不倒。为了避免因局部失效或者薄弱层而引起结构的破坏,要求结构体系由延性好的不同结构体系形成刚性的超静定结构来共同工作以抵抗地震破坏。要求结构体系良好的整体性和变形能力,当第一道抗震防线遭受超过它设防要求而破坏,第二道防线作为下一道屏障对结构体系进行保护。如框架剪力墙体系既有框架又有抗震墙,抗震墙作为第一道防线,框架作为第二道防线。但如果抗震墙很少,结构就不是多道防线的结构体系。从以上可以看出房屋的倒塌由于抗侧力构件不能承受荷载作用力,当采用多道抗震设防时,可以适当降低第一道防线的控制能力,提高第二道防线抗震能力。3) 抗震薄弱层。薄弱层也是建筑抗震设计需重点关注的地方,根据材料的规格尺寸,刚度,变形能力,使用功能和建筑的美学的要求,致使建筑结构体系会突破常规要求,出现竖向和平面变化比较大的结构体系而成为相对的抗震薄弱环节,在罕见地震荷载作用下率先出现屈服,而发生弹塑性非线性变形,造成建筑的破坏,这里要强调三点: a. 薄弱层只是在强震情况下考虑的结构弹塑性变形问题。b. 要对结构从整体上进行受力分析,而避免只是考虑部分薄弱层受力与变形。c. 由于结构是不是薄弱层只是一个相对概念,因此常常因为设计施工或者材料的变化导致薄弱层的改变,在此控制薄弱层位置发生转移而又能达到它的变形能力,这是控制结构抗震性能最关键的。
5 非结构构件抗震设计
除承重结构以外的固定构件都是非承重结构,虽然非承重结构在建筑中只是附件非关键结构,但在屡次的震害过程中非结构造成的人员与财产损害已屡见不鲜了。非结构构件抗震要求以下几点: 1) 先分清哪些是非结构构件,如屋顶的装饰属于结构构件与否并不好界定,这种情况一般按结构构件处理。2) 非结构体系对结构体系影响,对于设备作用在其结构主体上的非结构构件应计算设备的重力,与结构柔性连接的非结构可以不计其刚度,但当有专门构造措施可计入抗震承载力,同时要考虑非结构上作用的力对建筑结构的作用,并且相互的联系要满足锚固要求。3) 非构件自身的地震力作用在其重心上,对于支撑在楼层和防震缝的两侧的非结构构件,要计入地震时支撑点之间相对的位移产生的作用效应,非构件在位移方向的刚度要根据其端部实际联系分别根据不同的连接方式采用不同的力学模型。
6 结语
高层建筑设计前的地质勘察是建筑是否成功的前提,接着根据地勘报告设计建筑方案是关键一步,建筑物设计是否有良好的抗震效果主要在建筑方案体现,接着是施工图设计,它是把建筑思想变为现实最重要的一步,也是高层建筑结构设计抗震性优劣的十分重要的具体体现,设计的基本要求要保证在“小震不坏,中震可修,大震不倒”基本目标,设计高层建筑物时,要注意建筑物的结构布置问题,尽量保证质心与刚心重合、重心与质心重合、刚心与重心重合的三心合一。这样能提高抗震效果,增强抵御地震的抗破坏性。总之提高高层建筑抗震性能要根据建筑的等级来考虑安全指数。从一开始地区规划,地质勘查以及后来的建筑结构设计,建造过程以及施工工艺等的选择这些都是控制高层建筑抗震效果的关键原因。
参考文献:
[1] 华颖. 抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].中华民居,2013( 6) : 78-80.
关键词:高层建筑;抗震;设计
中图分类号:TU97文献标识码: A 文章编号:
0 引言
高层建筑结构的抗震性能关系重大,本文探讨了抗震概念、构造及设计过程中如何解决遇到的问题,然后分析了影响建筑物抗震效果的主要因素,指出了高层建筑抗震设计应遵循的原则和方法,就此,提到了高层建筑结构抗震设计的广阔前景。
1 建筑结构抗震等级的规定和标准
震级是根据地震的强度而进行的划分,在我国,地震划分为六个级别:3级为小地震,3~4.5级为有感地震,4.5"--6级为中强地震,6~7为级强烈地震,7~8级为大地震,8级以上的为巨大地震,是国家根据相关的历史、地理和地质方面的经验资料,经过勘查和验证,对进行地震分组的一个经验数值,它是地域概念。抗震设防有甲、乙、丁类建筑,在我国大部分的房屋抗震等级是8度,可以抵抗6级地震的作用。国家设计部门依据有关规定,按照建筑物的分类和设防标准,根据房屋高度、结构等方面,采用不同的抗震等级。比如,在钢筋混凝土结构中,抗震等级可以分一般、较为严重、严重和很严重这4个级别。
在高层建筑的抗震设计中,混凝土结构应高根据建筑的高度、建筑的结构和设防的烈度运用不同的抗震等级,而且应该符合相应的计算和措施要求。
2 影响建筑物抗震效果的因素
研究高层建筑结构的抗震设计,必需明确建筑物抗震效果的主要影响因素。下面,将从建筑结构本身的设计效果、施工材料施工过程以及建筑场地情况3个方面进行分析。
2.1 建筑结构建造过程中所使用的材料和施工过程
建筑结构的材料是影响抗震效果非常重要的因素,但是这个因素往往被人们忽视,工作人员需要明确这样一点:在一般情况下,地震对建筑物作用力的大小与建筑物的质量成正比。在同等地震环境下,建筑物材料使用越好,其受到的地震作用力也相对较小;反之,建筑物就会遭到来自地震的很大的作用力。所以,在实际的建筑物的建设中,建议他们多采用隔断、板楼、维护墙等构件,广泛采用空心砖、加气混凝土板、塑料板材等质轻的建筑材料,这将会有利于建筑物抗震性能的提高。建筑结构施工过程同施工材料共同影响整个建筑工程的质量,在施工过程中,每一个环节都可以影响建筑结构抗震效果。所以,高层建筑在具体施工中,要加强监管和规范,严格做好高层建筑施工管理,从建筑结构的质量上来提高抗震效果。
2.2 建筑物自身的结构设计
建筑物的结构设计是影响抗震效果极为关键的一个因素,建筑物若要达到抗震目的,必须进行合适的结构设计,保证抗震措施合理,能够基本实现小地震不坏、大地震不倒这样的目标。无论点式住宅或是版式住宅,都要进行合理的结构设计,提高建筑结构的抗震性能。如果建筑物对平面的布置较为复杂,质心与
刚心不一致,在地震情况下,将会加剧地震的作用影响力,破坏性增强。所以,建筑物的结构平面布置尽量保证建筑物质心和刚心重合,提高建筑物的抗震能力。
在建筑结构的设计中,出屋面建筑部分不宜太高,以降低地震过程中的鞭梢影响;平面布置不规则的房屋注意偏离建筑结构刚心远端的抗震墙等等。
2.3 建筑物所处地质环境情况
在地震中,对建筑物造成破坏的原因是多方面的,比如:岩石断层、山体崩塌、地表滑坡等使得地表发生运动,造成建筑物的破坏;海啸、水灾等次生灾害对建筑物造成破坏。在造成建筑物破坏的诸多原因中,有些是可以通过工程措施加以预防的。所以,在选择建筑工地的位置之前,要进行详尽的勘探考察,分析地形和地质条件,避开不利地段,挑选对建筑物抗震有利的地点。
3 高层建筑抗震设计的方法
对高层建筑结构的抗震设计时,要从减小地震作用力的输入和增强地震抵抗力两个方面进行考虑。下面将从五个方面进行分析:尽可能减小地震作用能量的输入,运用高延性设计、推广消震和隔震措施的运用,注重抗震结构的设计,重视建筑材料的选择,增多抗震防线的建设。将减小地震作用力和增强建筑的地震抵抗力二者结合起来,从两方面入手,进行建筑抗震的设计施工。
3.1 减少地震发生时能量的输入
在具体的设计中,积极采用基于位移的结构抗震方法,对具体的方案进行定量分析,使结构的变形弹性满足预期地震作用力下的变形需求。对建筑构件的承载力进行验收的同时,还要控制建筑结构在地震作用下的层间位移限值;并且更具建筑构件的变形和建筑结构的位移之间的关系,确定构件的变形值;根据建筑界面的应变分布以及大小,来确定建筑构件的构造需求。对于高层建筑来讲,在坚固的场地上进行建筑施工,可以有效减少地震发生作用时能量的输入,从而减弱地震对高层建筑的破坏程度。
3.2 运用高延性设计、推广消震和隔震措施的运用
现在在我国,许多高层建筑进行抗震设计时,多采用延性结构,也就是适当的空着建筑结构的刚度,允许地震时结构的构件进入到具有很大延性的塑性状态,从而消耗地震作用时的能量,使地震反应减小,减弱地震给高层建筑带来的破坏和重大损失。如果某高层建筑的承载能力较小,但是具有较高的延性,那么在地震中它也不容易倒塌,因为延性构件可以吸收较多的能量,经受住很大的结构变形。延性结构的运用,在很多情况下是有效的,它可以消耗地震能量,减轻地震反应,使结构物“裂而不倒一。
3.3 注重抗震结构的设计
高层建筑抗震设计的结构应该得到人们的重视。我国150 m以上的建筑,采用的3种主要结构体系(框.筒、筒中筒和框架.支撑体系),都是其他国家高层建筑采用的主要体系。我国钢材生产数量已较大,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此在有条件的地方,建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能。
我国传统文化中“以柔克刚”具有价高的思想价值,可以指导很多实际问题。在高层建筑结构的抗震设计中,可以从传统的硬性为主的抗震模式向以柔性为主的抗震模式转变,实现以柔克刚、刚柔相济,有效地减弱地震作用过程中释放的冲击力。比如,在高层建筑的拱形结构中有这样一个例子迪拜帆船酒店,外观如同一张鼓满了风的帆,一共有56层、321 m高,就是运用拱结构抗震减灾的很好的例子。
4 高层建筑结构抗震设计前景展望
今后若干年,中国仍将是世界上修建高层建筑最多的国家,这将会给高层建筑抗震设防带来新的难题。21世纪,高层建筑结构抗震将有如下变化:
(1)高层建筑的抗震结构体系将从以硬性为主向柔性为主的结构抗震转变,通过“以柔克刚”方式,调整建筑结构构件的隔震、减震和消震来实现抗震目的。
(2)建筑材料对结构抗震的影响越来越得到重视。建筑材料的各个抗震指标的提升可以提高高层建筑的抗震能力,研制新的建筑材料可推动高层建筑结构抗震技术的发展。通过优化的抗震方法设计,来实现高层建筑的抗震要求。
(3)计算机模拟抗震试验得到广泛应用。将制作好的模型或结构构件放在模拟地震振动台上,台面输入某一确定性的地震记录,能够较好地反映该次确定性地震作用的效果。计算机模拟环境可以拟真抗震效果,帮助科学改进各因素,有效抗震。
另外,高层建筑结构的抗震设计的计算方法也有了新的转变:从线性分析向非线性分析转变,从确定性分析向非确定性分析转变,从振型分解反应分析向时程分析法转变 。
5 结语
高层建筑结构的抗震设计方法和技术是不断变化和进步的,我们需要在具体的实践中对高层建筑所处的地质和环境进行详细的分析和研究,选用适合的抗震结构,注重建筑结构材料的选择,减小地震的作用力,增强地震的抵抗力,从而达到高层建筑抗震的目的。
参考文献:
关键词:高层建筑;结构;抗震设计
高层建筑在地震中一旦受到损害,其损害往往要比多层建筑严重得多,所以经过对历次地震中高层建筑的抗震性能分析,对工程结构抗震性能来讲,概念设计更重于数值设计,需要从设计开始就要对结构抗震设计中的问题进行处理,同时还要对其进行必要的计算和构造措施,这样就会在很大程度上会将建筑物抗震上的薄弱环节进行降低,从而达到更好的抗震性能。利用概念设计对工程师的思维和判断力都有较高的要求,需要工程师更好的结构抗震特点进行了解,从而更好的对结构的受力特征进行掌握,从而在设计中更好的设置受力点,达到合理抗震设计的目的。
1 我国高层建筑抗震设计中存在的问题
1.1目前高层建筑超出了最佳抗震的限高
在当前我国现有的科研水平、技术水平和施工水平下,对我国高层建筑在设防烈度和结构形式下都有一个适宜的高度规定,这个高度对于高层的抗震性能是最为稳妥的,而且也与土建规范体系相互协调。但在实际建设当中,许多混凝土结构往往都超过了这个高度限制,所以对于这些超高限的建筑,在进行抗震设计时一定要谨慎。需要在有抗震设计和模型振动台试验的基础上进行抗震设计。因为超高限的建筑物,其高度的增加,会导致对建筑结构影响的许多因素发生变化,特别是安全参数、延性、材料性能等都会超出现有高层建筑规范规定的范围。
1.2注意高层建筑材料和结构体系的选用
目前在超过一百五十米以上的建筑中,通常会选择框―筒、筒中筒和框架三种支撑体系来作为建筑结构。目前我国钢材生产量较大,而且类型和品种也不断的增加,而随着钢结构加工制造能力的增加,在高层建筑中尽可能的选择钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构和钢结构,这样不仅可以有效的使柱断面的尺寸能够减小,同时也可以对结构的抗震性能有较大的改善。而当高层建筑超过一定的高度后,单凭钢结构是不行的,而且钢结构自身质量较轻,不利于抵抗风振所带来的损害,所以需要将混凝土材料利用上,形成钢骨混凝土结构来作为超高层建筑物的材料和结构。
1.3现在抗震设计标准较低
目前我国高层建筑结构设计的抗震标准基本上属于世界安全度最低的水平,已不适应当前我国的基本国情,而且现在依据的抗震设计原则在新形势下也需要对其进行重新审视。由于我国抗震设计标准较低,所以在具体抗震计算方法和构造上的规定也不高,而在一些抗震延性的要求上更无法与国外相关。由于在当前高层建筑结构设计中,其造价比例呈下降趋势,所以在设防烈度的设计上还有人主张利用弹性设计。不管何种设计,保证结构的抗震性能良好是至关重要的,当前由于社会财富的不断增加,如果由于结构抗震性能较低而导致失效,则会带来不可估量的损失发生。
2 高层建筑抗震设计的方法
2.1采用位移的结构抗震方法进行设计
当高层建筑结构在地震作用下时,则会发生变形,所以在结构设计方法选择时,要使其能够满足结构弹性变形的需求,所以在设计中通常都会得利用基于位移的结构抗震方法来进行设计。而构件的变形则需要通过控制地震的层间位移限值、构件变形和结构位移之间的关系来进行确定变形值。而建筑构件的构造需求则需要根据界面的应变分布大小来进行确定。另外在进行高层建筑选址时,通常选择坚固的场地来进行施工,可以有效的控制地震发生时能量的输入,减弱地震所带来的破坏作用。
2.2运用高延性结构来进行消震和隔震
目前在我国的高层建筑抗震设计中,都会通过对建筑结构的刚度进行控制,即利用延性结构来使地震发生时,确保其结构构件进入到一个具有较大延性的塑性状态下,以此来减弱地震作用时的能量,降低地震的反应,从而降低地震所带来的破坏作用。即使高层建筑承载力较小时,如果具有较高的延性,其在地震中延性构件也会吸收较多的能量,从而承受较大的结构变形,不容易发生倒塌事故。通过对延性结构的运用,有效的减轻了地震所带来的反应,降低了结构物倒塌的机率,而且随着科学的发展,对建筑物抗震设计水平的提高,设计者们通过使用阻尼器来有效的吸收地震所产生的能量,从而有效的减弱了地震所给高层建筑带来的破坏性。
2.3注重抗震结构的设计
高层建筑抗震设计的结构应该得到人们的重视。我国150米以上的建筑,采用的三种主要结构体系(框―筒、筒中筒和框架―支撑体系),都是其他国家高层建筑采用的主要体系。我国钢材生产数量较大,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,改善结构的抗震性能。在高层建筑结构的抗震设计中,可以从传统的硬性为主的抗震模式向以柔性为主的抗震模式转变,实现以柔克刚、刚柔相济的目的,有效地减弱地震作用过程中释放的冲击力。
2.4建立多层地震防线
高层建筑结构防震可以设置多道抗震防线,增强对地震的抵抗力。高层建筑物设置多层的地震抵抗防线,第一道防线遭到破坏之后,有后备的第二道、第三道甚至更多的防线对地震的作用力进行阻挡,避免高层建筑物的倒塌。高层建筑结构进行抵抗地震设计时,可以采用具有多个肢节和壁式框架的“框架剪力墙”等防震结构。框架剪力墙具有性能较好的多道防线抗震结构,其中的剪力墙是第一道抗震防线,也是主要的抗侧力构件。所以为保证它的承受能力较高,剪力墙要足够多。同时,为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用,任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力,不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5倍中两者的较小值。剪力墙结构中剪力墙可以通过合理设置连梁(包括非建筑功能需要的开洞组成多肢联肢墙)使其具有多道抗震防线性能。
3 结束语
目前高层建筑结构抗震也发生了较大的变化。高层建筑的抗震结构体系将从硬性为主向柔性为主的结构转变,通过“以柔克刚”的方式调整建筑结构构件的隔震、减震和消震,从而实现抗震目的。建筑材料对结构抗震的影响越来越受到重视。建筑材料各个抗震指标的提升可以提高高层建筑的抗震能力,研制新的建筑材料可推动高层建筑结构抗震技术的发展。通过优化的抗震方法设计来实现高层建筑的抗震要求。计算机模拟抗震试验得到广泛应用。将制作好的模型或结构构件放在模拟地震振动台上,台面输人某一确定性的地震记录,能够较好地反映该次确定性地震作用的效果。计算机模拟环境可以拟真抗震效果,帮助科学改进各因素,有效抗震。■
参考文献
[1]李志.高层建筑抗震设计分析[J].中外建筑,2010(01).
关键词:抗震概念设计;高层建筑;结构设计
1高层建筑结构设计中抗震概念设计的意义
概念设计的应用范围广泛,包含了极多的结构设计,从中可以知道概念设计的作用越来越重要概念设计的重要性主要有以下几点:(1)如今的计算理论及结构设计理论有待完善,存在着各种各样的缺陷以及不可计算性所以,概念设计的应用则不仅解决了计算理论的缺点,还解决了在结构设计中实际存在的那些大量无法计算的问题,更加合理的完成了建筑的结构设计。(2)结构设计过程需要进行大量的数学计算,需要借助计算机来完成而在方案的初级设计阶段不能使用计算机来辅助计算因此,需要熟练掌握结构概念的结构工程师根据自己的合理计算和准确的判断来筛选高效低造价的结构设计方案。(3)对于结构设计的工程中存在的大量繁琐的计算,往往需要借助计算机完成构设计人员也过分依赖计算机,这样会降低工作人员对设计数的敏感性,对于计算中存在的数据错误和运算方法不合理问题不能辨别和纠正,从而使结构设计存在诸多问题,并给建筑结构留下很多安全隐患由以上分析可知,概念结构设计对建筑结构设计有相当重要的影响,其地位是不可取代的。
2高层建筑结构设计中抗震概念设计的原则
2.1结构的整体性
在高层建筑结构中,楼盖的整体性对高层建筑结构的整体性起到十分重要的作用,其相当于水平隔板,不仅要求聚集和传递惯性力至各个竖向抗侧力的子结构,还要求这些子结构具有较强的抗震能力,能够抵抗地震作用,尤其是当竖向抗侧力子结构的分布不均匀、结构布置复杂以及抗侧力子结构的水平变形特征存在差异时,整个高层建筑就依靠楼盖使抗侧力子结构进行协同工作。
2.2结构的简单性
结构的简单性指的是结构在地震作用下具有明确、直接的传力途径。在高层建筑抗震设计规范中明确规定“结构体系应该有明确的计算简图与合理的地震作用传递途径”,只有结构简单,才能对结构的位移、内力以及模型进行分析,准确的分析出高层建筑抗震的薄弱环节,然后采取相应的措施,避免薄弱环节的出现。
2.3结构的刚度
结构的刚度和抗震能力水平在地震作用下是双向的,确定结构的刚度,然后合理的布置结构能够抵抗任意方向上的地震作用。通常状况下,地结构沿着平面上两个主轴方向都应该具有足够的刚度与抗震能力,结构的刚度不仅仅应该控制结构的变形,还应该尽可能降低地震作用对高层建筑结构的冲击,如果结构发生较大的变形,将会产生重力二阶效应,导致结构失衡而被破坏,降低高层建筑的抗震可靠性,因此,在抗震概念设计中,应该重视结构的刚度设计。
3抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用
3.1地基基础与建筑场地的合理选择
在建筑结构抗震设计之前需要对建筑场地进行选址,在工程选址过程中应尽可能选在抗震性能相对较好的建筑场地,尽量避免抗震性能较低的场地,若无法避免,那么应做好相应的预防措施,以免遭受地震的居民受到危害。而对于建筑地基基础的选择,要保证建筑地基基础选择的科学性,首先应对建筑所在地的地质状况进行全面勘察,应尽可能选择土质坚实的场地,这样对建筑结构防震抗震有一定的帮助。若地质条件不允许,则应结合当地建筑结构场地实际情况,因地制宜选择建筑地基结构,一般情况下建筑地基结构可分为刚性结构与柔性结构两种,对于建筑场地相对较为坚硬的土质,应选择柔性结构,反之则应该选择刚性结构,以此来降低地震灾害给建筑物以及人们带来的危害。
3.2建筑物结构、外形与尺寸的设计
对于建筑物而言,影响建筑抗震性能的主要因素有建筑物结构、建筑外形以及建筑各结构的尺寸等等,所以抗震设计人员在设计过程中要充分考虑影响建筑抗震性能的因素,对建筑结构、尺寸以及外形等因素进行综合考量,从而做出合理性安排。在建筑平面设计中首先要考虑建筑的防震性能,在设计过程中要有意识的提高建筑防震性能,尽可能选择易于进行防震设计的建筑设计方案。据相关调查研究得知,不规则建筑物与普通建筑物的抗震性能相比,其抗震性校对较低,因此在不规则建筑物结构设计中,为了防止地震的过度危害,应采取一定的防护措施。
3.3科学处理建筑主体结构与非承重结构构件的关系
建筑主体结构与非承重结构构件有着密切关系,如何科学处理建筑主体结构与非承重结构构件的关系是现今建筑概念设计中尤为关注的话题。科学处理两者之间的关系尤为必要,因为保证建筑主体结构与非承重结构构件的关系,可以有效降低用户在地震灾害中的损害,具有一定的防震减震效果。在地震灾害中对于已经破坏的非承重结构构件应及时更改设计,避免其影响整个建筑主体结构的安全性能。在建筑抗震概念设计中要充分考虑两方面因素,一方面需要考虑非承重结构构件遭受地震灾害后可能对建筑主体结构造成的影响。
3.4选择适合建筑特征的抗震结构体系
每个建筑物都有其独特之处,对于不同建筑物其所选择的建筑抗震结构体系也有所区别。通常情况下建筑抗震结构可以大致分为两类,一类是材料类结构,另一类则是结构形式类结构。建筑抗震结构体系选择是建筑概念设计的重要内容,建筑所处环境不同在抗震设计也有一定的差异性,在建筑抗震结构体系选择过程中,应根据建筑实际特性选择建筑所需的抗震结构,这是一个较为细致复杂的工作,设计人员要充分利用自身所掌握的知识以及经验对抗震结构体系进行有效分析,对建筑抗震设计中所要运用的材料、抗震结构体系以及抗震技术等进行综合考量,确保建筑抗震结构体系选择的合理性与科学性。
3.5对材料质量进行严格把关,确保抗震施工质量
建筑抗震性能如何在很大程度上取决于抗震材料,由此可见抗震材料选择在建筑概念设计中的重要性。从某种角度上来讲,建筑概念设计对建筑抗震施工质量具有一定的保障作用。完善的概念设计能够正确引导建筑抗震设计,避免抗震施工走入误区,对抗震施工的各项工序具有指导性意义。在材料选择及使用中要对材料质量进行严格把关,充分考虑材料的抗震性能是否符合国家标准,选择优质合格的抗震材料,达到抗震的最终目的。
4结语
综上所述,抗震概念设计作为高层建筑结构设计中的一个重要组成部分,通过合理的抗震概念设计,能够有效的提高高层建筑的抗震可靠性。因此,相关设计人员应该熟练的掌握和运用抗震概念设计,全面的考虑各项因素,从而建造出更多精品高层建筑工程,为社会造福。
参考文献:
[1]华颖.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].中华民居,2013(06)