高层建筑结构抗震

摘 要：随着经济建设的快速发展,城市建筑的高度越来越高,体型变得更加复杂,同时建筑的抗震设计也显得更加重要和复杂.本文对高层建筑结构抗震设计进行探讨,重点分析了建筑抗震设计方法以及隔震结构设计,确保建筑的抗震效果.

关 键 词：建筑结构；抗震；设计方法

高层建筑作为一道美丽的城市风景,近些年来,随着经济的发展和城市建设的蓬勃发展,高层建筑越来越受到人们的喜爱.但是高层建筑在结构设计方面的问题比普通的工程设计更复杂、更庞大.如果前期的结构设计做的不好,就很有可能影响到建筑工程的后期施工,甚至有可能留下一定的安全隐患.因此,做好高层建筑结构的抗震设计研究和分析就显得至关重要.

一、建筑结构抗震的理论研究

1、建筑结构抗震规范

建筑结构抗震规范其实就是各国根据以往的建筑抗震的经验而进行的比较权威性的经验总结.建筑抗震规范主要是指对建筑抗震设计中的结构动力计算、抗震措施以及其他抗震要素方面的法律规定.建筑抗震规范虽然需要实现工程的经济技术的合理性,但是,从根本上来说,它必须建立在扎实的建筑工程实践基础上,要经过充分的建筑工程实践,时刻将工程的安全性放在最重要的位置.因此,许多建筑抗震规范中都明确规定了带有强制性的条款,不少条款使用了“严禁、不可、不宜”等词汇,这些词汇的灵活运用在一定程度体现了规范的合理性和机动性[2].

2、建筑抗震设计理论

目前适用的比较广泛的抗震设计理论是拟静力理论和反应谱理论.所谓的拟静力理论就是指在预先估计地震对建筑物结构产生的作用时,检测定建筑结构为刚性,地震力水平作用在结构或构件的质量中心上.其基本思想是建立在静力计算的基础之上,将地震作用简化成一个惯性力作用在建筑结构上,这一理论的核心是确定结构设计地震的加速度.而反应谱理论则是以强地震动加速度观测记录的增多以及对地震地面运动特性的了解,它是对地震加速度记录特性的一种准确分析.

二、高层建筑抗震设计常见的问题

1、缺乏岩土工程勘察资料或资料不全

主要表现在：一是建筑场地岩土工程的勘察资料在扩建初设计阶段还没有到位.二是在扩初设计会审之后就直接进入了施工图设计.三是施工图设计只是在简单的规划设计或方案设计会审后就直接出来了.四是没有岩土工程勘察资料.这样设计就成了无源之水,无水之木,没有依据.结构的平面布置中外形不规则、不对称、凹凸变化尺度大、形心质心偏心大,同一结构单元内,结构平面形状和刚度不均匀不对称,平面长度过长等.

2、一个结构单元内采用两种不同的结构受力体系

如这一边选用砌体承重,而另一边或局部选用全框架承重或排架承重；还有一种是底框砖房中一边为底框,而另一边为砖墙落地承重,这种情况比较常出现在平面纵轴与街道轴线相交的住宅,一般设计为底层为商店,设计成一半为底框砖房（有的为二层底框）,而另一半为砖墙落地自承,造成突变在平面刚度和竖向刚度二者之间,对抗震非常的有作用.

三、增强结构抗震能力的设计方法

1、调整结构的抗侧刚度

增大弯拉体系的有效宽度是一种最直接也是一种最有效的方式.通过增加有效宽度能够直接增大其抵抗力臂,以此来减小抗倾覆力.从材料力学中我们可以发现,同样面积的抗倾覆力与结构宽度密切关系,可以得到不同的几何特征[1].

2、选择合理的倒塌机制

高层建筑同其他多层建筑一样,当建筑结构物出现一定的塑性变形以后,整个结构将丧失承载能力.而结构物产生破坏的最佳机制应该是在结构构件出现塑性铰之后,此时其承载能力不发生变化,基本保持稳定,能够出现持续变形但却不至于发生倒塌现象,从而最大限度地消耗地震时所产生的能量.

3、写作多道设防体系

目前,世界各国工程的抗震思想都较为统一,基本上为大震不倒,中震可修,小震不坏.由于地震灾害具有随机性和不确定性,防止高层建筑物发生倒塌,设置多道抗震防线的理念对于实现这一目标极为重要,从而有效的保障了人民和财产安全.在竖向支撑构件的选取上,理论上应优先选择不负担或者负担重力荷载很少的构件,或者选取轴压较小的实腹筒体、抗震墙之类的构件以此来作为防震的第一道防线,不能够选用轴压比很大的框架柱,但可以利用其他杆件来增强多抗震体系.

4、在结构体系设计时,使不同构件相互作用

例如,可以采用具有有效受力状态的斜杆和弦杆的衍架体系；也可在设计中对钢筋混凝土抗震墙内部配置交叉钢筋,以此来增强其抗剪能力,或调整构件的刚度,使框架的刚度比达到最优从而来取得良好的受力效果.

5、增大最有效承受荷载构件的面积

例如,在建筑结构设计过程中,通过增大较低楼层框架梁和框架柱的受压面积或截面高度,就能够直接增大建筑结构物的抗侧刚度,从而有效减小结构侧向位移,以此改善结构的抗震性能.

6、加大整体性及延性在抗震设计中的作用

当建筑结构在地震过程中不能够承受荷载和变形,将产生严重的破坏甚至倒塌,其最主要原因是其整体性不足及延性较差所造成的.对于不同的高层建筑结构均可以根据其构造上的特点及组成材料的性质来增加延性与提高整体性能.

四、隔震结构设计

隔震结构的建筑物是指在建筑物下方设置一种地震时比其他层产生更大水平变形的“隔震层”,使得上层建筑物不容易与地基共振,同时集中吸收振动能量.这不仅能保护建筑物使用者的生命,也能够使功能的维持以及物的保护变得可能,也可缓和地震时的恐怖感.

1、构成隔震层的隔震构件

1.1铅制缓冲构件：利用高纯度的铅材料的塑性变形而制成的铅缓冲器.除此之外,尚有利用摩擦原理的缓冲器,利用油通过小孔时的阻抗而成的缓冲器,以及利用黏滞体的剪断阻抗原理而制成的缓冲器等.

1.2叠层橡胶：为了支承上方的建筑物,避免与地基共振,需要垂直方向坚硬,水平方向柔软的支座.叠层橡胶是将厚度数毫米的橡胶与钢板交互重叠接合,施加热与压力,发挥橡胶特有的弹性,就能够满足这个条件.

1.3钢制缓冲构件：在隔震层吸收振动能量,担任衰减振动的作用而制成的缓冲构件[3].由于隔震层在水平方向产生很大的变形,因此根据变形状况,采用将振动能量消耗的机制方为合理.

2、隔震层的位置

根据建筑物的功能与结构性质去选择隔震层的位置.基础的隔震需要基坑,但是其与非隔震层部分之间的衔接,采用最低限度,就能够给建筑物整体带来隔震的效果.中间隔震层的电梯与楼梯的连接困难,适用于地下楼层多的情况,或无法设置基坑的情况时,还有地震时上方楼层比特定楼层更容易振动的构造的情况时.

3、隔震构件的能力与特性

大变形时的垂直支承能力：隔震构件要求即使在大变形时也能够确实支承建筑物的质量.叠层橡胶需要设计成当最大变形发生时重叠部分不得小于直径1/2以下的尺寸.采用直径小的叠层橡胶时,必须采用在大变形时可支承建筑物之质量的构造.

现在随着科技的发展,新型的高层建筑结构也在不断地演变,高性能的新型材料也在不断地发展,计算机模拟抗震试验在抗震设计中占了一席地位,这些都在促进我国在高层建筑结构的抗震设计的发展.在不久的将来,我国会出现更大抗震设计的研究成果,给予国家和人民财产的保障.