混凝土高层建筑抗震设计

【摘 要】近几十年来,钢筋混凝土结构有了更大的发展,混凝土强度和钢筋强度得到提高,钢筋混凝土结构的应用范围不断扩大,预应力混凝土结构也开始应用.钢筋混凝土高层建筑成为了当前建筑物的一个主体工程,如何保证建筑结构抗震设计是否过关尤为重要.设计阶段决定主体结构构件、非结构构件的尺寸与构造、连接,是结构抗震性能目标能否实现的一个重要阶段.论文就钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计进行探讨,旨在促进了钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构的飞速发展.

【关 键 词】高层建筑；结构工程；抗震设计

一、结构抗震设计的重要性

地震是一种随机振动,有难于把握的复杂性和不确定性,要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数,目前尚难做到.在结构分析方面,由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素,同时也存在着不准确性.因此,工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决,而必须立足于“概念设计”.概念设计是指设计人员从结构的宏观整体出发,用结构系统的观点,着眼于结构整体反应,正确地解决总体方案、材料使用、分析计算、截面设计和细部构造等问题,力求得到最为经济、合理的结构设计方案以达到合理抗震设计的目的.结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用,避免结构出现敏感的薄弱部位.地震能量的聚散,如果仅集中在少数薄弱部位,必会导致结构过早破坏,目前各种抗震设计方法的前提之一就是检测定整个结构能发挥耗散地震能量的作用,在此前提下才能以多遇地震作用进行结构计算、构件截面设计并辅以相应的构造措施,必要时采用弹性时程分析法进行补充计算,试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标.

二、高层混凝土建筑结构抗震设计策略

1.从建筑的全局出发

高层混凝土建筑结构设计要从建筑的全局出发,全面考虑各种建筑部位的功能,在此基础上,科学设计每个部分的构件,保证每个部件之间的契合,促使每个部件或者是若干部件组合起来可以完成某一特定的设计要求,满足一定的现实需求,同时,通过抗震设计,使得每个构件都可以具有相应的承载力,当地震来袭,每个构件都可以有着一定的次序先后破会,整体组合构件将会有着更强大的承载力和柔性,从而延缓地震破坏的速度,消耗爆发的能量.增强建筑的整体抗震能力.

2.地基选址

地基选址是进行建筑结构设计的基础,因此,在房间结构抗震设计中,要科学避开山嘴,山包,陡坡,河流等不利因素,要本着坚硬,牢固,平坦,开阔的选址原则.亲身实地,利用先进技术设备,进行地质勘探,山石水土监测,并取样论证,科学严谨分析.力求使得整个地基牢固可靠,地质稳定无渗漏,无坍塌,无暗河,无熔岩,无火山等从而保证整个地基不会因为承载而发生小范围的坍塌.影响到整体承载能力和抗震能力设计.

3.高度的确定

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）规定,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.这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下,较为稳妥的,也是与目前整个土建规范体系相协调的.可实际上,已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制.对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证,二要有模型振动台试验.在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化.因为随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等.

4.材料的选用和结构体系

在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视.我国150m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.但国外,特别在地震区,是以钢结构为主,而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%.如此高的钢筋混凝土结构及混合结构,国内外都还没有经受较大地震作用的考验.在高层建筑中采用框架———核心筒体系,因其比钢结构的用钢量少,又可减少柱子断面,故常被业主所看中.混合结构的钢筋混凝土内简往往要承受80%以上的震层剪力,有的高达90%以上.由于结构以钢筋混凝土核心筒为主,变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准.但因其弯曲变形的侧移较大,靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移,不仅增大了钢结构的负担,且效果不大,有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构,形成加强层才能满足规范侧移限值；此外,在结构体系或柱距变化时,需要设置结构转换层.加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变,常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大,加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁.因此在需要设置加强层及转换层时,要慎重选择其结构模式,尽量减小其本身刚度,减小其不利影响.

在高层建筑中,应注意结构体系及材料的优选.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,为减小风振而需要采用混凝土材料,钢骨（钢管）混凝土,通常作为首选.

另外,许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4,但并不一定是短柱.因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比,只有剪跨比≤2的柱才是短柱.有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比.但是即使能调整轴压比限值,柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小.因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷.

总之,钢筋混凝土框架结构是我国大量存在的建筑结构形式之一,钢筋混凝土框架结构的柱端与节点的破坏较为严重,其抗震设计中应该钢筋混凝土高层建筑结构抗震关键设计,另外,必须满足“强柱弱梁”“、强剪弱弯”“、强节点”“、强底层柱底”等延性设计原则和有关规定.

5.运用延性设计

结构良好的延性有助于减小地震作用,吸收与耗散地震能量,避免结构倒塌.因此,结构设计应力求避免构件的剪切破坏,争取更多的构件实现弯曲破坏.始终遵循“强柱弱梁,强煎弱弯、强节点、弱锚固”原则.构件的破坏和退出工作,使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系,致使结构的周期发生变化,以避免地震卓越周期长时间持续作用引起的共振效应.

三、结语

总之,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,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.