基于高层建筑抗震设计的实践

【摘 要】随着城市建设不断发展,高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的高层建筑越来越多.由于高层建筑的高度高,所以应该特别注重抗震设计.本文在分析了高层建筑的抗震设计内容和特点后,结合具体的案例对高层建筑的抗震设计措施进行了探讨.

【关 键 词】高层建筑；抗震设计；内容特点；措施

随着经济的不断发展,高层建筑得的发展是大势所趋,高层建筑的结构安全也越来越受到人们的关注.而我国是一个地震多发国家,地震建筑灾害已成为地震灾害中最具破坏性和杀伤力的毁灭性灾害,因此,高层建筑抗震工作一直是建筑设计和施工的重点,结构工程师必须按抗震设计要求进行结构分析与设计.

1高层建筑抗震设计的主要内容

在罕遇地震作用下,抗震结构都会部分进入塑性状态,为了满足大震作用下结构的功能要求,有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力.当前国内外抗震设计的发展趋势,是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计,结构弹塑性分析将成为抗震设计的一个必要的组成部分,但是由于结构弹塑性分析的复杂性,在如何进行计算和如何设定具体要求的问题上,各国的做法也有所不同.我国现行抗震规范(GB50011-2010)要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下（小震）,按反应谱理论计算地震作用,用弹性方法计算内力及位移,并用极限状态方法设计构件.对于重要建筑或有特殊要求时,要用时程分析法补充计算,并进行大震作用下的变形验算.这种先用多遇地震作用进行结构设计,再校核罕遇地震作用下结构弹塑性变形的方法,即为所谓的二阶段设计方法,同时规范规定了结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形的结构弹塑性分析方法.结构弹塑性分析可分为弹塑性动力分析（时程分析）和弹塑性静力分析（推力计算）两大类.

2高层建筑抗震设计特点

第一,控制建筑物的侧移是重要的指标.在地震荷载作用下,建筑结构所产生的水平剪切力占主导地位,所以建筑物会产生明显的侧移,随建筑结构的高度不断曾加,结构的侧向位移迅速增大,但该变形要在一定限度之内,这样才能保证结构安全以及使用功能.

第二,地震荷载中的水平荷载是决定因素.水平荷载会使建筑物产生倾覆力矩,并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力,这些都与建筑物高度的两次方成正比,故随建筑结构高度的曾加,水平载荷大相径庭.对高度一定的建筑物而言,竖向荷载基本上是不变的,但是随着建筑物的质量、刚度等动力特性的不同,水平地震荷载和风荷载的变化是比较大的.

第三,要重视建筑结构的延性设计.高层建筑结构随着高度增加,刚度减小,显得更柔,在地震荷载作用下变形较大.这就要求建筑结构要有足够的变形能力,使结构进入塑性变形阶段仍然安全,需要在结构构造上采取有利的措施,使得建筑结构具有足够的延性.

3对某高层建筑抗震设计的分析

3.1工程概况.位于广州市郊区,总建筑面积8.02万m2,包括A、B、C三栋高层建筑.其中,A栋高层建筑由20层、29层和31层三个单体连接而成,最高高度为97.35m,建筑面积为5.8万m2；B区高层住宅为18层、高度56.5m,建筑面积2.2万m2.在功能上,1~5层为商店和办公用房,6层以上为住宅,地下一层为人防地下室.

3.2该工程建筑等级为一级,使用年限为100年,抗震设防烈度为6度,地震基本加速度为0.05g,结构形式采用框支剪力墙结构.

3.3该工程一是属于向不规则结构的高位转换,底层大空间层数在地面以上已达到5层.二是由于其平面为不规则的L型楼盘,刚度质心与形心不重合.这些都不利于抗震防震,应该进行研究和论证,采取特别的加强抗震措施.

3.4抗震设计时,在L型楼盘凹角处,结合住宅建筑立面造型和平面布置,采用加设厚板及巨型边梁的处理方法,使设计特征周期、地震力与震型输出达到GB50011－2010《建筑抗震设计规范》的要求.通过合理调整局部上、下剪力墙的数量,来满足结构规范对位移比及转角的要求,使结构刚度尽量均匀,不发生明显的突变.

3.5该工程结构整体稳定验算结果如下：Ｘ向刚度比EJd/GH等于5.81≥1.4；Ｙ向刚度比EJd/GH等于7.64≥1.4.均满足抗震设计要求.

3.6在抗震概念设计中还做了以下分析改进：①由于本工程高位转换的一些显著特点使配筋面积过大,结构延性相对较差,因此在主要部位如框支柱、框支梁及地下室顶层结构优先使用了钢,且钢筋在最大拉力下的总伸长率,实测值不应小于9%,使材料特性可以充分发挥作用.②塔楼穹顶鞭梢效应明显.用钢结构替代混凝土结构,充分利用钢结构轻质高强的材料特点,没有盲目增大突出部位的刚度,而是使其第一阶自振频率、整体结构低阶频率不接近地面运动扰频的方法来实现.

3.7根据抗震概念设计理念,做好并加强对不需计算的结构及非结构各部分的抗震构造措施,主要考虑和分析了以下问题：①对于钢筋混凝土柱的设计.一是应该按轴压比控制,轴压比相差不宜大于0.2当建筑有要求时,应和建筑协商好该问题.二是柱配筋时,应同时满足配筋、箍筋、主筋、角筋、最小体积配筋率的要求.三是框架结构中主楼梯柱（中间平台作用处）因为该柱为短柱,应该全程加密.②对于钢筋混凝土梁的设计.一是框架梁高取1/10~1/15跨度,应该与建筑协商好净高要求.二是对于一些大跨度公共建筑,梁的宽度应适当加大,应取300mm以上.梁的宽加宽后有利于抗剪,符合“强剪弱弯”的原则；宽350mm的梁,采用四肢箍筋可以使箍筋直径减小；主梁宽度加宽后有利于次梁钢筋的锚固；尽量避免长高比小于4的短梁.三是梁配筋应充分考虑梁的锚固长度,特别是次梁,应满足现行规范要求；注意腰筋的设置,单侧腰筋应大于0.1%bhw；采用长高比小于4的短梁时,全梁的箍筋应加密,梁上部钢筋应通长,梁的纵筋不宜过大.四是主梁上有次梁处（包括挑梁端部）应附加箍筋和吊筋,宜优先采用附加箍筋；应避免次梁搭接在主梁的支座附近,否则应考虑由次梁引起的主梁抗扭,或增加构造抗扭纵筋和箍筋.五是次梁端部与框架梁相交或弹性支承在墙体上时,梁端支座可按简支考虑,但梁端箍筋应加密.③对大于悬挑梁的设计.一是悬挑梁宜做成等截面（大挑梁外露者除外）.与悬挑板不同,挑梁的自重占总荷载的比例很小,做成变截面不能有效地减轻自重；变截面挑梁的箍筋,每个都不一样,难以施工.二是要注意加强悬挑梁顶面的钢筋,箍筋全长加密,对于1m长的挑梁应验算挠度.④对于钢筋混凝土板的设计.一是现浇楼板厚度：多层建筑屋面、地下室顶板为120mm；高层建筑屋面、地下室顶板为150mm；顶应力楼板为150mm；一般现浇板80mm.二是当板内预埋暗管时,板厚不宜小于100mm；预埋暗管多层交叉时,板厚应加厚以满足要求.三是作为上部结构嵌固的地下室顶板,厚度应不小于180mm,混凝土标号不低于C30.四是板应采用双层双向配筋,每个方向的配筋率均不宜小于0.25%.

4结束语

总之,在抗震设防区,对高层建筑结构设计的可靠性、安全性及抗震设防质量提出了严格的管理规定.因此,在不断总结经验和加深认识当中,在超限高层建筑结构抗震设计时必须采取一系列对策.