高层建筑抗震设计要点

摘 要：近年来,我国高层建筑呈现蓬勃发展之势,鉴于高层建筑特殊性考虑,在进行抗震设计时应采取严格技术措施确保整体建筑安全.本文就高层建筑抗震设计中的基本理论结合地下室结构抗震设计做浅要抗震分析探讨.

关键字：高层建筑抗震设计抗震内容

我国规定的高层建筑抗震设计分析主要以反应谱为设计基础,时程分析为设计补充.

一：高层建筑反应谱要点分析

高层建筑反应谱理论是我国建筑抗震设计分析基本理论；反应谱理论的关键是对结果进行判断分析.

1.地震动参数值的分析

地震动参数指反应谱分析的对地震影响系数的最大值和时程分析地震波峰的加速度值,在高层结构建筑中应对建筑采用地震动参数,小震中的弹性分析应按参数规范设计反应谱和安评报告较大者取值；另外中震、大震阶段应以规范取值为主,另一方面如果安评报告检测中的地震反应较大,设计时应作为重要参考内容.

2.周期反应谱

高层建筑大多采用高柔结构,周期长,某些建筑甚至超过6.0s.抗震规范5.1.4条规定,对于周期大于6.0s的高层建筑采用的地震影响系数应专门分析研究.如：天津津塔项目建筑,主楼总高度330m,结构第1周期达到7.60s.

3.层间位移角限值

按照抗震设计要求,高层钢结构建筑其层间位移角限值取1/300.高层钢混结构建筑其层间位移角部不宜大于1/500；另外楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响.

4.剪重比调整

根据最小地震剪力系数要求.由于地震影响系数在长周期段高层建筑中下降普遍较快,对于周期段大于3.5s的建筑结构,水平地震作用下的底部总剪力过小.即为考虑地震影响,合理优化抗震设计,此时建筑结构设计过柔,从安全的角度考虑,应该人为性的提升地震剪力以确保结构设计安全性.考虑到高层建筑是周期基本在6s左右的高柔结构,适当提高地震下的抗侧移刚度和承载力是建筑安全性合理因素.

5.层刚度比和层抗剪承载力的控制

抗震设计规范和高层建筑规程中均指出“楼层刚度不宜小于其上三层平均侧向刚度值的80%”或相邻上层建筑的70%.根据《高层民用钢结构技术规程》规定,楼层刚度不小于相邻上层的70%,并且连续三层总刚度降低应在50%以下；楼层抗震承载力应大于相邻上层的80%,高度建筑抗剪承载力应大于其上层建筑的80%、B级高度的抗剪承载力应不小于上层的75%.层刚度比过小,容易出现薄弱

层,影响整体高层建筑的设计硬度.层抗剪承载力过小,容易出现软弱层.在实际高层建筑抗震设计中,两种情况应予以避免.

二：小震下弹性时程要点分析

1.进行时程分析的意义

反应谱理论为基于自由度弹性时程分析基础上的,包含“平均值”的“统计意义”,而时程分析中的离散性较大,不同地震波对高层建筑结构进行时程计算分析差别较大.我国规定的抗震计算设计以反应谱理论为基础、时程分析作为补充.对高层建筑结构进行时程分析计算根本目的在观察建筑结构地震过程中的内力和刚度位移情况,以便观察整体建筑结构是否存在较弱部位,增加建筑结构抗震设计安全度,保证整体建筑的安全性能.时程分析为反应谱方法的补充方法,与反应谱方法在统计学上的意义相一致.如果采用较大地震波,相当于在提高结构的设防水准的基础上进行时程分析,则会失去时程分析的实际存在意义.

2.地震波峰值的取法

在对建筑进行抗震设计时,小震地震动参数的取值,应以设计规范标准和实际安评报告的较大值为准.中震、大震以设计规范为主,超高层建筑应以安评报告为准.高层建筑的弹性时程分析地震波峰值,应以此为依据取值.

3.强震持续时间

地震有效持续时间,一般从地震第一次达到时程曲线最大峰值10%算起,到最后一点达到最大峰值10%为截止,地震有效持续的时间一般是结构基本周期的5～10倍左右,另外在进行抗震设计时震波的有效持续时间要大于高层建筑自振周期的3～4倍,不宜小于12s.

三：高层建筑针对地下室抗震墙分析

通过我国颁布的《建筑抗震的设计规范》可以看出,高层建筑中,应根据抗震设计要求对抗震墙进行合理设置,针对高层建筑,地下室的抗震设计显得尤为重要,需设置加强区域.因此在加强固定区域范围内,应采取增设墙体的横向钢筋数量以及相关构件箍筋等措施强化抗震等级,在进行抗震模拟实验时,避免高层建筑会出现脆性剪切破坏,对改善高层建筑结构整体抗震性能有重要作用.

具体设计要求上应分两点：具有大面积地下室或与裙房相连接的高层建筑：应取地下室顶板上层抗震墙整体高度八分之一左右,延伸至地下一层,并且高出裙房顶板及大底盘的顶板应最少在一层左右.其次针对其他建筑结构的抗震墙设计：抗震墙整体高度的八分之一,延伸至底部两层,取上述两者的最大值.

在相关抗震设计文件中,对建筑结构墙地下室之加强区域的高度设计,提出了15米的要求.但与高层建筑地下室建筑要求通常会产生矛盾,不符合《高层建筑混凝土施工规范》.因此笔者建议：在针对高层建筑实际设计中摒弃大底盘和框支结构抗震墙底部位置小于15米的要求,并不符合所有高层建筑实际情形,应根据具体楼层具体制定相应措施.其次在地下室建筑过程中进行半截高度抗震墙设计,考虑到地下室施工回填土等因素约束,应采取用房屋的高度代替抗震墙的高度,即清晰设计概念,又便于实际施工操作.

四：高层建筑地下室抗震结构设计

地震对高层建筑的破坏主要体现在以下几个结构部位,纵横墙衔接处,楼梯间墙体,房屋平面凸凹处,房屋变形裂缝和钢混结构的预制楼板,由于在建筑设计中,容易出现墙体设计强度较低,各建筑材料粘结性较弱,导致抗弯,拉和抗剪强度均较低.当设计水平的地震承受能力不是很强,遇到地震烈度加大,容易造成建筑体开裂,甚至倒塌事故,危险性极高.针对此种问题,进行高层建筑设计时要考虑地震造成破坏的影响因素,保证施工的质量和建筑抗震性能.1.横纵墙等设计

对于地下室抗震结构的设计,首先要保证横墙的数量要多,间距小,在提升横墙刚度的同时加强其抗震性能.采取钢混结构建筑横墙承重或是横墙梁柱与纵向共同承重的结构体系.横纵墙的布置需均匀对称,在实际施工操作中,平面方向要尽量对齐,纵向方向应上下连续,避免出现水平面和纵面突兀导致不匹配的变化以及地下室不规则形状出现,影响整体受力均衡和抗震性能.

在抗震设计时为保证地下室结构不会直接影响建筑物性能,应注意地下室的墙柱与上部结构的墙柱相互匹配,定位一致；并且半地下室的埋深,地下深度应大于地下室露出地面以上高度.地下室的顶板标高变化过大或侧面墙承载力不足时应采取相应的措施,如可在高差变化处设置斜腋,水平仪测定实际标高等,以保障计算准确性和水平力在地下室顶板及横墙处的有效传递.

作为高层建筑嵌固端,和连接承重台与主体建筑部分,地下室顶板设计时应留有足够厚度,板厚应大于180mm,顶板配筋应大于0.25%的最小配筋率.

2.防震缝设计

高层建筑抗震设计的另一要点是防震缝的设计,防震缝应沿着房屋的全高设计,两侧尽量设置为墙体或墙柱,地下室基础上部可以不设置防震缝.防震缝的长度一般在80cm左右,但各建筑要求和建筑水准不同,应根据设计需求度和房屋高度具体分析决定.防震缝与沉降缝,伸缩缝相辅相成,在抗震设计时均要充分考虑其影响因素.沉降缝与伸缩缝的具体设计尺寸参照抗震缝.

一般高层建筑纵向的尺寸较大,纵向间距较小,因此无论是商业还是住宅类型的高层建筑,其纵向水平形状变化都不是很大,在进行地震建剪力设计分配时,可按照刚性楼盖进行考虑,即纵向的抗震墙分担地震剪力值按照纵向墙体抗侧刚度比例分配设计.