高层建筑结构选型与抗震设计

摘 要：本文主要针对高层建筑结构选型探讨了它的结构体系、结构选型的内容以及影响因素,分析了高层建筑结构的损伤机制和抗震设计.

关 键 词：高层建筑；结构选型；影响因素；抗震分析；加固措施

0前言

目前,在我们国家,建筑设计和计算大部分还是依赖软件,对其中的各种参数、检测定包括现行的规范理解不够,实际的建筑工程设计水平还有局限性,这对于建筑结构的安全性是不利的.选择合适的结构选型,并对于地震区需加强抗震措施的建筑应作出抗震加固是十分重要的.因此,结构选型及抗震设计作为高层建筑结构设计当中的两大关键要素,其设计安全性与时代性应当引起相关工作人员的特别关注与重视.

1高层建筑结构体系形式和内容

竖向荷载是所有结构最基本的传力体系；随着建筑高度的增大,侧向荷载对结构的影响成为重中之重,侧向荷载将成为确定高层建筑结构方案和影响土建造价的决定性因素,因此抗侧力体系的选择和组成是高层建筑结构设计的首要考虑和决策的重点.

高层建筑在选型上可以考虑多种结构体系如框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒等.每种结构体系均有自身的特点及适用范围,如框架比较利于空间的划分,但其适用高度有限,且高层框架抗震性能不好；而剪力墙结构则有利于空间的划分,但不适用于大空间的使用,但其抗侧性能较好；而框架-剪力墙则可以弥补两者的不足.

2影响高层建筑结构体系选择的因素

高层建筑自身的功能要求是重中之重.如高层住宅在功能上对空间的分隔,剪力墙可以很好的满足,可以使剪力墙和隔墙统一,其承重和抗侧力功能良好.因此剪力墙是适应高层住宅一个很好的结构体系,而框架在框架柱可能暴露以及适应高度方面都局限性,在影响建筑的美观、施工方便以及抗震性能上都有所不足,对比剪力墙在高层住宅的应用要少很多.而对于即要求平面上空间的划分有小有大时,如高层旅馆等,剪力墙只能上空间分隔上满足要求,而对于划分大空间时,框架比较适合,因此选用框架―剪力墙结构和筒体结构较为合适.而对空间上下部分划分不一致时,如建筑下部分作为商场使用等,则应该在高层建筑中设置转换层.因此对于高层建筑,建筑的功能要求对于结构体系的确定有重大的影响.

3高层建筑结构抗震设计分析

（1）高层建筑结构抗震设计理论分析.现阶段应用比较广泛的高层建筑结构抗震设计理论主要可分为反应谱理论、动力理论以及拟静力理论三个类型,首先,对于反应谱理论而言,进行抗震设计的重心在于地震震动过程当中的加速度特性；其次,对于动力理论,广范应用于20世纪70-80年代,进一步动力理论也称地震时程分析理论,它抗震设计的核心就是把地震作为一个时间过程,将有显著特征的地震动加速度作为一个地震动变量参数,而整个结构就是多自由度体系,从而得到每个时刻的地震反应从而完成抗震设计工作.最后,对于拟静力理论而言,进行抗震设计的基本在于对地震力大小参数进行核算,按照地震系数与高层建筑结构重量的乘积对该参数进行计算.

（2）高层建筑结构抗震设计应该按照“三水准”设计,应使建筑结构构件、层间位移、整个结构的抗震能力均符合规范要求.

4传统抗震技术存在的问题

从早期的框架结构、剪力墙结构这些传统抗震结构,到近期的消能减震结构和隔震结构等新型结构,结构的损伤机制越来越明确.目前传抗抗震技术存在以下问题：

（1）安全问题：由于“基本烈度”不确定性,在突发强地震时难于控制结构破损程度,因此很难保证不倒塌.

（2）适应问题：只要求在设防烈度内保护结构,并没有对生命线工程作强调,没有保护生命线工程中的重要设备、仪器等,而这些生命线工程包括指挥中心、网络中枢、医院、电台等.

（3）经济问题：硬抗地震,一味的增加构件的断面面积,会使构件的刚度变大,而刚度变大带来的效应是地震作用增大.据研究,烈度为7度时造价相比6度设计约增3%-8%,8度时增加10%-25%,9度时增加20%-40%；硬抗地震只会使造价提升.

（4）建筑设计复杂导破坏：不规则平面会导致扭转,不规则立面会导致层间剪切破坏.

5高层建筑结构抗震加固的损伤机制和措施

（1）高层建筑结构的损伤机制的内容：结构在地震作用下的损伤是指地震过后无法自动恢复的结构力学特性的改变,比如构件的屈服、构件刚度和承载力的退化等.结构损伤形式包括脆性损伤和延性损伤,在抗震设计中我们期望的是延性损伤,即在承载力基本保持不变的情况下有较长稳定的变形的发展阶段,这样有较大的耗能能力.损伤在结构体系中发生的部位即是损伤分布,通常,将损伤尽可能均匀地分布在结构体系中是提高结构抗震性能的有效手段,因此将地震作用下结构的损伤分布称为“损伤机制”.损伤机制控制有助于实现构件、区域功能分化,充分利用不同结构材料的特性；同时具有明确损伤机制的结构在预期强震下的地震响应更易于预测.

（2）普通结构的损伤机制：框架结构的理想损伤机制是“强柱弱梁”机制,即框架结构的梁端和底层柱角是预期损伤部位,在地震作用下可以屈服并通过自身的塑性变形来耗散地震能量,框架柱基本保持弹性.而这一结构体系在地震作用下经常出现的问题是出现“柱铰机制”,即在同一层所有柱的上下端形成塑性铰,其危害远大于梁铰机制.在中按规范设计的钢筋混凝土框架结构也会因柱端发生屈服而倒塌.钢筋混凝土框架-剪力墙结构的合理的损伤机制是在大震作用下,连梁大量弯曲屈服并主要耗能,部分框架梁弯曲屈服,作为连梁耗能的补充；墙肢的屈服应尽量推迟,最终墙肢的屈服只控制在底部发生而上部不屈服,并且墙肢的损伤程度较小；框架柱作为结构后备抗震防线,保持弹性.在这样的损伤机制中,连梁率先屈服并通过自身较大的塑性变形耗散地震能量,成为控制剪力墙体系抗震性能的关键问题之一.而此类结构往往出现的问题是实际结构中连梁因建筑尺寸对其截面形状的限制而难以发生延性破坏.

（3）抗震加固的原理：将损伤尽可能地均匀地分布在结构体系中,如在结构中均匀设置滞回型阻尼器的消能减震结构,此时损伤体现为整体型；但有时将损伤集中于结构的某些部位也有利于结构其他部位免遭破坏,如隔震结构.隔震结构与生俱来具有明确的预期损伤分布,即结构变形与损伤主要集中在由隔震支座和各种阻尼器组成的隔震层中,而上部结构基本保持弹性,目前隔震结构体系的研究便主要集中在高性能隔震支座和适用于隔震结构的阻尼器的开发.从和大量震后建筑可以看出,使用消能减震结构、隔震结构进行加固都取得了不错的效果,相比未采取抗震加固措施的建筑在安全性上有了很大的提高,更是减小了震害损失和人员伤亡.

6结语

结构选型应该考虑建筑本身的功能要求和抵抗荷载的类型等多种因素,合适的结构选型、精确的计算更有利于建筑工程的施工进度、质量控制和工程造价.同时,在结构设计中,对于地震反应较大的建筑可考虑建筑结构在地震中的损伤机制,进行建筑抗震加固包括阻尼器、隔震以及消能减震等措施,从而改变建筑结构在震中的地震反应,减小建筑结构的地震损伤.