提高高层建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法

摘 要：建筑安全是当今建筑行业最重要的主体,现今自然灾害数量增多,尤其是飓风、地震等自然灾害,给建筑物的质量带来了巨大的考验.因此,建筑设计师在设计时,要充分考虑到建筑结构抗地震倒塌能力,做好相应的抗地震施工流程,使建筑产品具有高度的抗地震的安全性能,给人们更加安全的保障.本文简述了高层建筑抗地震的设计思想与方法,希望能够读者一些帮助.

关 键 词：高层建筑；抗地震；防倒塌

一、问题提出

建筑物在地震中是否会被损害,不能简单依据设计时的抗震级别和抗震烈度,设计时的受力大小、角度与实际地震中的受力大小、角度是否吻合,也是一个很重要的因素.但是,回想当年汶川重建人员“责任重于泰山,半点不敢马虎”的誓言,按照“8级抗震、9度设防”标准重建的建筑物,却有不少都抵不住7级地震,这就不能不令人质疑了,高层建筑结构设计上如何做到有效防震呢?本文就该话题谈几点笔者的看法.

二、我国高层建筑结构设计的难点

1、抗震结构设计

抗震结构一直以来都是高层建筑结构设计的难点之一,由于地震的发生具有不可预测性,加之高层建筑结构十分复杂,往往在高层建筑中,结构设计人员无法全面的将抗震原理融入建筑结构设计之中[2].同时地震具有非常发性,高层建筑往往在结构设计上抗震数据分析简便,抗震系数难以得到保障.如若高层建筑在结构设计中不能够将地区地震特点融入总体规划布局之中,并合理设计结构局部,建筑物必将难以抵御地震危害,这对建筑物使用者造成的伤害也是巨大和难以挽回的.

2、抗风结构设计

高层建筑对风振十分敏感,因此抗风压成为了高层建筑结构设计的重点任务之一[3].由于高层建筑本身楼层建筑较高,其对上层风的阻隔作用也就变得十分明显,风由于高层建筑的阻挡,其空气动力效应也将随之改变,会产生对高层建筑的动力荷载.因此,风压对高层建筑具有较高的危害性,如若风压过大,也可能会直接导致高层建筑的主体结构承受过大的动力荷载,而遭到损坏,甚至发生墙体裂缝、内外装饰物脱落等现象.

三、高层建筑抗震结构设计的方法

1、应重视建筑结构的规则性

结构的平面布置不规则、平面布局的刚度不均都会对抗震效果产生不利影响.因此,在高层建筑物的结构抗震设计中,不应采用严重不规则的设计方案.在高层建筑中抗震设计中,提倡平、立面布置规整、对称、减少偏心,建筑的质量分布和刚度变化均匀.以往震害经历表明,此种类型的建筑在地震时比较不容易受到破坏,容易估计出其地震反应,易于采取相应的抗震措施.

2、对地基的选择

高层建筑在地震中的破坏主要来源与地基沉降,如果高层建筑地基出现沉降,其结构必然受到破坏.因此,高层建筑结构设计中,首先要对地基抗震进行针对性的设计.选择坚硬的场地土建造高层建筑,可以明显地减少地震能量输入,从而减轻地震的破坏程度.高层建筑宜避开对抗震不利的地段,当条件不允许时应采取可靠措施,使建筑在地震时不致由于地基失稳而遭受破坏,或者产生过度下沉、倾斜.为了保证高层建筑的稳定性,要求基础要有一定的埋置深度.埋深基础四周土壤的被动土压力,能够抵抗高层建筑承受水平载荷所产生的倾覆和滑移.天然地基基础埋深为建筑高度的1/15,桩基基础埋深为建筑高度的1/18.高层建筑宜设地下室.

3、多道设防

多道设防,就是设有多道抗震防线,避免因部分结构的破坏而导致整个体系丧失抗震能力.框架结构应使梁的屈服先于柱的屈服,利用梁的变形来耗能,从而使框架柱退居第二道防线.其措施就是梁端调幅.框剪结构应使剪力墙连梁首先屈服,然后是墙肢；要使墙肢易屈服,必须是墙肢稍短、洞口较多的联肢墙,因此规范规定限制墙肢过长.最后框架作为第三道防线.对剪力墙结构,通过构造措施,保证连梁先屈服,如连梁折减刚度,少配纵筋、配交叉抗剪筋,并通过空间整体性形成高次超静定等.

4、运用高延性设计

结构构件除应具有必要的承载能力,还应具有良好的延性和较多的耗能潜力,防止过早的剪切、锚固和受压等脆性破坏.所谓延性,就是结构受地震屈服后进入塑性变形阶段,其变形能力的大小.变形越大,就是延性越大,因为地震耗能是靠强度和塑性变形能力的综合,即充分变形而不倒,促使地震给高层建筑带来的破坏被有效地减弱,避免重大损失的发生.

5、结构构件设计合理性

框架设计应符合：刚梁柔柱,强柱弱梁,强剪弱弯,节点更强.框架作为主要受力构件,对结构安全至关重要.框架设计应避免剪切先于弯曲破坏,避免混凝土的压脆先于钢筋的屈服,避免钢筋锚固粘结先于构件破坏.目的就是使塑性变形开裂耗能而不致遭受脆性破坏.刚梁柔柱,就是让节点弯矩多分配一点给梁端；强柱弱梁,就是在配筋方面让柱多配一点,梁配筋恰当；强剪弱弯,就是梁顶弯矩可以调幅,而剪力不能调幅,剪力还可按实际弯矩配筋调大,剪力配筋强于弯矩配筋；节点更强,是加强节点配箍及纵筋锚固,施工中应注意钢筋间距,以便施工易于振密,保证节点稳固.

四、高层建筑结构抗震设计应用的体系

1、框架-剪力墙体系

框架-剪力墙体系不仅框架结构布置灵活,使用方便,又有较大的刚度和较好的抗震性能.在承受水平力时,剪力墙和框架通过的连梁和楼板共同组成的一种结构体系.在该体系中,框架的主要作用就是承受垂直方向的载荷,剪力墙的主要作用就是承受水平方向的剪力.框架-剪力墙的结构体系中剪力墙在地震作用下呈弯剪破坏,且塑性屈服尽量产生在墙体的底部.连梁宜在梁端塑性屈服,且有足够的变形能力,在墙段充分发挥抗震作用前不失效.按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力,避免墙肢的剪切破坏,提高其抗震能力.

2、剪力墙体系

剪力墙体系的结构刚度大、空间整体性好.在剪力墙结构体系中,剪力墙担负了所有的垂直方向的载荷和水平方向的力.剪力墙结构体系的刚度和强度都很高,有延性,传力整体性好、直接均匀,抗倒塌的能力很强,它是一种良好的结构体系,能建的高度大于框架或者框架-剪力墙结构体系.

3、钢结构体系

钢结构具有良好抗震性,工业化生产程度较高,钢结构施工周期较短,并且具有节能环保、延展性好等优点,特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用,减少地震对建筑的破坏,具有良好的优势.但由于经济和技术方面的要求,钢结构体系的高层建筑未能普及,这是未来高层建筑结构的发展方向.

提高高层建筑结构设计的规则性,合理设计各个抗侧力构建的布局,从而形成合理的系统化的承载布局,同时在垂直方向采用抗侧力构建提升建筑物整体的强度和刚度,满足建筑物的承载稳定性和连续性要求,也是高层建筑结构设计中抗震优化设计的重要方式.

五、总结

高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的.自20世纪90年代后,高层建筑结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的日程,特别是我国处于地震多发区,高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务.