高層建筑結構抗震動力分析

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

【摘　要】針對高層建筑在抗震研究方面的薄弱點,本論文重點從結構抗震設計的角度對高層建筑的抗震設計進行了分析探討,首先簡要介紹了我國當前高層建筑抗震設計中存在的問題,并在此基礎上重點對高層建筑的抗震特點進行了動力分析,提出了若干具體的結構抗震設計方法與措施,對于進一步提高我國高層建筑的結構抗震設計水平及其應用水平具有一定借鑒意義。

【關鍵詞】高層建筑　結構抗震　動力分析　 　一、目前高層建筑抗震設計中存在的問題我國高層建筑的結構材料一直以鋼筋混凝土為主。隨著設計思想的不斷更新,結構體系日趨多樣化,建筑平面布置與豎向體型也越來越復雜,出現(xiàn)了許多超高超限鋼筋混凝土建筑,這就給高層建筑的結構分析與設計提出了更高的要求。尤其是在抗震設防地區(qū),如何準確地對這些復雜結構體系進行抗震分析以及抗震設計,已成為高層建筑研究領域的主要課題之一。 近年來,許多科研和軟件設計人員對高層建筑結構進行的大量的分析與研究,目前我國已有多種高層建筑結構分析設計軟件,如中國建筑科學研究院結構所研制的TBSA、TAT、SATWE,清華大學建筑設計研究院研制的TUS,廣東省建筑設計研究院研制的廣廈CAD等,為高層建筑的結構分析與抗震設計提供了方便、高效的計算分析手段。但是,在建筑功能等要求復雜多樣化的今天,工程設計中經(jīng)常會遇到一些問題,如果簡單地直接應用設計軟件計算設計,可能會出現(xiàn)不必要的浪費,有的甚至造成工程事故,這就要求結構工程師不斷積累經(jīng)驗,運用概念設計的原則,結合理論分析與試驗數(shù)據(jù)對具體工程一些特殊問題具體分析、具體處理。 　　二、高層建筑結構抗震結構設計分析1.設計階段的結構動力特性分析。高層建筑進入初步設計階段后,首先按方案階段確定的結構布置進行計算分析。計算模型取自±0. 000至塔頂,假定樓板為平面內(nèi)剛度無限大,其地震反應分析基本參數(shù)列于,以及可以看出,隨著樓層高度的增加,結構X方向(縱向)自振周期及地震力基本正常,而結構Y方向(橫向)自振周期偏長、結構剛度偏低,對應于水平地震作用的剪力較小,結構的抗震能力偏弱,結構偏于不安全。為增加Y方向(橫向)的抗側移剛度,提高其抗震能力,在現(xiàn)代高層建筑的設計中,可以在建筑核心筒的兩側增設四道剪力墻。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ3-2002)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001),抗震設計時,框架-剪力墻結構中剪力墻的數(shù)量必須滿足一定要求,在地震作用時剪力墻作為第一道抗震防線必須承擔大部分的水平力。但這并不意味著框架部分可以設計得很弱,而是框架部分作為第二道防線必須具備一定的抗側力能力,在大震作用下第一道抗震防線剪力墻遭受破壞時,整個結構仍具備一定的抵抗能力,不至于立即破壞倒塌,這就需要在結構計算時,對框架部分所承擔的剪力進行適當調(diào)整。 2.結構抗震設計方法探討。    2. 1結構抗震設計的基本步驟。對建筑抗震的三個水準設防要求,是通過“兩階段”設計來實現(xiàn)的,其方法步驟如下:第一階段設計:第一步采用與第一水準烈度相應的地震動參數(shù),先計算出結構在彈性狀態(tài)下的地震作用效應,與風、重力荷載效應組合,并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù),進行構件截面設計,從而滿足第一水準的強度要求;第二步是采用同一地震動參數(shù)計算出結構的層間位移角,使其不超過抗震規(guī)范所規(guī)定的限值;同時采用相應的抗震構造措施,保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段設計:采用與第三水準相對應的地震動參數(shù),計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié))的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規(guī)范的限值,并采用必要的抗震構造措施,從而滿足第三水準的防倒塌要求。   2. 2結構抗震設計方法。   2. 2. 1基礎的抗震設計?；A是實現(xiàn)高層建筑安全性的重要條件。我國高層建筑通常采用鋼筋混凝土連續(xù)地基梁形式,在基礎梁的設計中,為充分發(fā)揮鋼筋的抗拉性和混凝土的抗壓性的復合效應,把設計重點放在梁的高度和鋼筋的用量上,在鋼筋的布置上采用主筋、腹筋、肋筋、基礎筋、基礎輔筋5種鋼筋的結合。為防止基礎鋼筋的生銹,一方面采用耐酸化的混凝土,另一方面是增加鋼筋表面的保護層厚度,以抑止鋼筋的腐蝕。高層建筑基礎處理的另一個特色是鋼制基礎結合墊塊的應用,它是高層建筑上部結構柱與基礎相連的重要結構部件。它的功能之一是使具有吸濕性的混凝土基礎和鋼制結構柱及上部建筑相分離,有效防止結構體的銹蝕,確保部件的耐久性。      2. 2. 2鋼結構骨架的抗震設計。采用鋼框架結合點柱壁局部加厚技術來提高結構抗震性能。一般鋼框架結構,梁和柱結合點通常是柱上加焊鋼制隅撐與梁端用螺栓緊固連接。在這種方式下,鋼柱必須在結合部被切斷,加焊隅撐后再結合,這樣做技術上的不穩(wěn)定性和材料品質(zhì)不齊全的可能性很大,而且遇到大地震,鋼柱結合部折斷的危險性很大。鑒于此,可以首先該結構的梁柱采用高密度鋼材,以發(fā)揮其高強抗震、抗拉和耐久性。柱壁增厚法避免斷柱形式,對二、三層的獨立住宅而言,結構柱可以一貫到底,從而解決易折問題。與梁結合部柱壁達到兩倍厚,所采用的是高頻加熱引導增厚技術。在制造過程中品質(zhì)易下降的鋼管經(jīng)過加熱處理反而使材料本來所具有的拉伸強度得以恢復。對于地震時易產(chǎn)生的應力集中,柱的增厚部位能發(fā)揮很大的阻抗能力,從而提高和強化了結構的抗震性。 2.2.3墻體的抗震設計。“三合一”外墻結構體系,首先是由日本專家設計應用的,采用外墻結構柱與兩側外墻板鋼框架組合形成的“三合一”整體承重的結構體系。該體系不僅僅用柱和梁來支撐高層建筑,而是利用墻體鋼框架與結構柱結合,有效地承受來自垂直方向與水平方向的荷載。由于外墻板鋼框架的補強作用,該做法可以較好地發(fā)揮結構柱設計值以外的補強承載力。加強了對豎向地震力及雪荷載的抵抗能力,最大限度地發(fā)揮其抗震優(yōu)勢;另一方面,由于外墻板鋼框架與內(nèi)部斜拉桿所構成“面”承載與結構柱的結合并用,也提高了整體抗側推力和抗變形能力。它的抗水平風載和地震力的能力比單純墻體承重體系提高30%左右?！?　三、結語 高層建筑已經(jīng)逐漸成為當前時代建筑發(fā)展的主流建筑形態(tài)之一,對于高層建筑,其抗震效能的分析一直是國內(nèi)外建筑抗震設計分析的研究熱點,而最直接最有效的抗震措施就是在建筑設計階段進行結構抗震設計,只有從高層建筑物內(nèi)部實施結構抗震,才能夠從根本上提高高層建筑的抗震效能。本論文從高層建筑結構設計的角度進行了抗震分析,對于具體的高層建筑抗震設計具有一定指導和借鑒意義。 參考文獻: [1]李忠獻.高層建筑結構及其設計理論[M].北京:科學出版社,2006. [2]吳鎂良.帶高位轉換層高層建筑結構抗震性能研究[D].北京:清華大學, 2003. [3]王森,魏璉.不同高位轉換層對高層建筑動力特性和地震作用影響的研究[J].建筑結構, 2002, (8): 34-35. [4]傅學怡,吳兵.高層建筑結構若干重要問題探討[J].建筑結構-技術通訊, 2007, (5): 11-12.