王丽霖
我国高层建筑抗震结构设计初探
王丽霖
阐述了我国高层建筑的发展情况,通过对建筑抗震进行理论分析,进而探索了高层建筑抗震设计理念及方法,并提出了抗震措施,以达到改善建筑物抗震性能的目的。
高层建筑,结构设计,抗震性能
地震作用影响因素极为复杂,它是一种随机的、尚不能准确预见和准确计算的外部作用,目前规范给出的计算方法还是一种半经验半理论的方法,要进行精确的抗震计算还有一定的困难,因此高层建筑抗震安全问题必须引起建筑师们的高度重视,及时采取有效措施,防患于未然。
1 我国高层建筑发展概况
20世纪 80年代,是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各大中城市普遍兴建高层或超高层以钢筋为主的建筑,建筑层数和高度不断增加,功能和类型越来越复杂,结构体系日趋多样化。比较有代表性的高层建筑有深圳发展中心大厦 43层高165.3m,加上天线的高度共 185.3m,这是我国第一幢大型高层钢结构建筑。进入 90年代我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段,不仅结构体系及建筑材料出现多样化,而且在高度上长幅很大有一个飞跃。东方明珠广播电视塔,坐落在中国上海浦东新区陆家嘴,毗邻黄浦江,与外滩隔江相望。建筑动工于 1991年,于 1994年竣工,投资总额达 8.3亿元。高 467.9m,亚洲第一,世界第三高塔。
2 建筑抗震的理论分析
建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结,是指导建筑抗震设计的法定性文件。它既反映了各个国家经济与建设的时代水平,又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有关科学理论的引导,向技术经济合理性的方向发展,但它更要有坚定的工程实践基础,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半点冒险和不实。
其中动力理论是 20世纪 70年代～80年代广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于 60年代以来电子计算机技术和试验技术外,人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解,同时随着强震观测台站的不断增多,各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论,它把地震作为一个时间过程,选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入,建筑物简化为多自由度体系,计算得到每一时刻建筑物的地震反应,从而完成抗震设计工作。
3 高层建筑结构抗震设计的基本内容
3.1 应重视建筑结构的规则性
建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案。合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的,提倡平、立面简单对称。因为震害表明,对称建筑在地震时较不容易破坏,容易估计出其地震反应,宜于采取相应的抗震构造措施和进行细部处理。
3.2 抗震概念设计应坚持的原则
3.2.1 结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能
1)结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则。2)对可能造成结构的相对薄弱部位,应采取措施提高抗震能力。3)承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
3.2.2 尽可能设置多道抗震防线
1)一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架—剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成,双肢或多肢剪力墙体系组成。2)强烈地震之后往往伴随多次余震,如只有一道防线,则在第一次破坏后再遭余震,将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度,有意识地建立一系列分布的屈服区,主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度,以使结构能吸收和耗散大量的地震能量,提高结构抗震性能,避免大震时倒塌。3)适当处理结构构件的强弱关系,同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后,其他抗侧力构件仍处于弹性阶段,使“有效屈服”保持较长阶段,保证结构的延性和抗倒塌能力。4)在抗震设计中某一部分结构设计超强,可能造成结构的其他部位相对薄弱,因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小,改变抗侧力构件配筋的做法,都需要慎重考虑。
3.3 抗震措施
有抗震设防要求的高层建筑除应满足强度、刚度要求外,还要满足延性的要求。钢筋混凝土材料本身自重较大,所以对于高层建筑的底层柱,随着建筑物高度的增加,其所承担的轴力不断增加,而抗震设计对结构构件有明确的延性要求,在层高一定的情况下,提高延性就要将轴压比控制在一定的范围内而不能过大,这样则必然导致柱截面的增大,从而形成短柱,甚至成为剪跨比小于 1.5的超短柱。众所周知,短柱的延性很差,尤其是超短柱几乎没有延性,在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时,很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。
3.3.1 使用复合螺旋箍筋
高层建筑框架柱的抗剪能力是应该满足剪压比限值和“强剪弱弯”要求的,柱端的抗弯承载力也是应该满足“强柱弱梁”要求的。对于短柱,只要符合“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的要求,是能够做到使其不发生剪切型破坏的。因此,使用复合螺旋箍筋来提高柱子的抗剪承载力,改善对混凝土的约束作用,能够达到改善短柱抗震性能的目的。
3.3.2 采用分体柱
由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多,在地震作用下往往是因剪坏而失效,其抗弯强度不能完全发挥。因此,可人为地削弱短柱的抗弯强度,使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度,这样,在地震作用下,柱子将首先达到抗弯强度,从而呈现出延性的破坏状态。人为削弱抗弯强度的方法,可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为各柱肢组成的分体柱,分体柱的各柱肢分开配筋在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键,以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素混凝土连接键等形式。
对分体柱工作性态的理论分析和试验研究表明：采用分体柱的方法虽然使柱子的抗剪承载力基本不变,抗弯承载力稍有降低,但是使柱子的变形能力和延性均得到显著提高,其破坏形态由剪切型转化为弯曲型,从而实现了短柱变“长柱”的设想,有效地改善了短柱尤其是剪跨比入蕊的超短柱的抗震性能。分体柱方法已在实际工程中得到应用。3.3.3 提高短柱的受压承载力
提高短柱的受压承载力可减小柱截面、提高剪跨比,从而改善整个结构的抗震性能。减小柱截面和提高剪跨比,最直接的方法就是提高混凝土的强度等级,即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力,降低其轴压比;但由于高强混凝土材料本身的延性较差,采用时须慎重或与其他措施配合使用。此外,可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。
4 结语
现阶段,我国高层建筑的抗震设防仍然处在摸索阶段,尽管通过实践积累了一些经验,但建筑抗震分析在概念上还需进一步完善,如果可以在结构与地基的材料特性,动力响应,计算理论,稳定标准等方面得到符合实际的发展,自然会在建筑结构抗震领域内起到重要的作用。
[1]吕西林.复杂高层建筑结构抗震理论与应用[M].北京：科学出版社,2007.
[2]朱镜清.结构抗震分析原理[M].北京：地震出版社,2002：11.
[3]徐 宜,丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑,2009(7)：63-64.
[4]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海：同济大学出版社,2009.
Initial discussion on the anti-seism ic structure design for domestic high-rise building
WANG Li-lin
This paper expounds the development condition of domestic high-rise buildings,by theoretically analyzing anti-seismic of architectures,further explores the anti-seism ic design concept andmethods of high-rise building,and points out the anti-seismic measures,so as to achieve the goal of improving the anti-earthquake performance of buildings.
high-rise building,structural design,anti-seismic performance
TU973.31
A
1009-6825(2011)03-0040-02
2010-09-28
王丽霖(1984-),女,助教,信阳农业高等专科学校管理系,河南信阳 464000
