基于高层建筑的抗震结构设计

【摘 要】高层建筑结构的抗震性能关系重大,首先探讨了抗震概念、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,最后,提到了高层建筑结构抗震设计的广阔前景.

【关 键 词】高层建筑；抗震；设计

0引言

地震作用影响因素极为复杂,它是一种随机的、尚不能准确预见和准确计算的外部作用,目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法,要进行精确的抗震计算还有一定的困难,但是近年来,地震等自然灾害多发,影响到人们的基本生活和生命财产安全,因此,建筑(尤其是高层建筑)抗震安全问题必须引起建筑师们的高度重视.

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150m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、321m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：

4.1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.

4.2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.

4.3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.