高層建筑抗震的設(shè)計方法探討
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【摘要】由于地震災害帶來的危害十分嚴重，而我國許多地方又屬于地震活躍地帶，為了提高房屋的抗震性，需要采用科學的設(shè)計方法以提高房屋的抗震性能，由此促進我國抗震設(shè)計水平的進步與發(fā)展。本文首先分析了抗震設(shè)計的重要性，其次闡述了基于性能的抗震設(shè)計方法，最后結(jié)合實例闡述了基于性能的抗震設(shè)計方法在高層建筑設(shè)計中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；性能；抗震設(shè)計
1引言
對于地震的研究，我國起步較早，東漢時期偉大的天文學家張衡發(fā)明了地動儀。我國傳統(tǒng)的隔震減震方法是采用抗震結(jié)構(gòu)體系，通過加強結(jié)構(gòu)的抗剪切承載能力，以提高建筑物的結(jié)構(gòu)強度來抵抗地震對建筑物的影響，避免建筑物在地震中坍塌。如今，隨著科技迅猛發(fā)展，基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)取得了長足進步，其相對于傳統(tǒng)的抗震減震技術(shù)，有著許多突出的優(yōu)勢，能夠更好的提高建筑物的抗震減震能力。
2抗震技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用的必要性
我國是世界上地震頻發(fā)的國家，每年，地震造成的損失數(shù)以億計，地震的存在嚴重威脅到人們的生命安全和財產(chǎn)安全，其不可準確預測性和巨大破壞性給我國的許多建筑物和構(gòu)筑物造成了巨大的威脅。國家抗震規(guī)范中明確規(guī)定：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，對于小型地震，要求是在地震中建筑物和構(gòu)筑物不發(fā)生破壞，不影響主體結(jié)構(gòu)的受力性能[1]；對于中型地震，要求是建筑物和構(gòu)筑物在地震后能夠通過修理可繼續(xù)使用；對于大型地震，要求是建筑物和構(gòu)筑物在地震中不倒塌。房屋結(jié)構(gòu)作為住宅建設(shè)中最關(guān)鍵的部分，合理的設(shè)計可以保證房屋的安全系數(shù)，從而提高整個工程的質(zhì)量。建筑物在設(shè)計時，除遵循“經(jīng)濟、實用、安全”的總原則外，具體還要以抗震設(shè)計原則為依據(jù)，結(jié)合地震本身的特點，明確清晰的設(shè)計思路，以應(yīng)對自然災害，確保結(jié)構(gòu)安全。
3基于性能的抗震設(shè)計方法概述
在基于性能的抗震設(shè)計理論的發(fā)展過程中，目前世界范圍內(nèi)土木工程界形成了并經(jīng)過論證認可的抗震設(shè)計方法主要包括：綜合設(shè)計方法、基于性能可靠度的分析方法、基于位移的設(shè)計方法、延性系數(shù)設(shè)計法。①綜合設(shè)計法。該方法的核心思想就是根據(jù)已有的自然環(huán)境條件以及地震動參數(shù)，選擇出結(jié)構(gòu)抗震性能目標。對性能目標進行反復的論證，最終確定出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸大小，從而指導結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。②基于性能可靠度的分析方法。該分析方法的核心思想就是將承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)對應(yīng)上基于位移抗震設(shè)計的具體位移數(shù)值，從而使兩個極限狀態(tài)理論在基于位移抗震設(shè)計上得到定量化。③基于位移的抗震設(shè)計方法。該方法的核心思想就是將結(jié)構(gòu)抗震采用的結(jié)構(gòu)整體位移及層間位移角目標進行量化，由整體位移和層間位移角控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面和配筋。④延性系數(shù)設(shè)計法。該方法是在基于承載力（強度）設(shè)計的基礎(chǔ)上，對建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震時產(chǎn)生的非線性變形，結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的延性反應(yīng)進行研究。建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下產(chǎn)生的延性反應(yīng)，有利于減小、吸收、耗散地震作用，進而減少對房屋結(jié)構(gòu)的損害，有效防止建筑物在罕遇地震下作用下倒塌[2]。
4實例分析基于性能的高層建筑抗震設(shè)計方法應(yīng)用
某綜合性辦公大樓，建筑總面積約為4.2萬m2，建筑主體為40m×32m的矩形平面，結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架－剪力墻體系。主樓層數(shù)為20層，其中地下3層為停車庫，地上17層為辦公區(qū)，裙房為4層。建筑物抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)防類別為丙類，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s。4.1結(jié)構(gòu)基本信息及模型建立該建筑地面以上為17層的主樓，主要用途為辦公場所，主屋面的高度為63.6m。東西兩側(cè)各設(shè)置有4層裙房，裙房頂標高16.3m。該建筑地面以下的高度為13.2m，主要作為地下停車庫，其中人防區(qū)域設(shè)置在地下三層，從地下三層往上的層高分別為4.5+4.5+4.2m。主樓一層層高4.5m，二層層高4m，3~6層的層高為3.9m，7～16層層高3.5m，17層層高是4.5m。主樓在1～2層中間16m×16m的范圍內(nèi)設(shè)置了挑空的中庭，中間不容許設(shè)置結(jié)構(gòu)柱，需要在二層頂設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架。工程基本雪壓值：0.0kN/m2（n=50），基本風壓值時0.70kN/m2（n=50，粗糙類別為B類），該建筑的剪力墻、框架的抗震等級均為二級。用PMSAP軟件建立計算模型，對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析，然后選擇不同的地震波對建筑結(jié)構(gòu)進行性能化分析，最終用sap2000對結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行復核。結(jié)果表明兩種軟件的計算結(jié)果比較接近，差異在工程許可的范圍內(nèi)，同時按照最不利設(shè)計的原則對結(jié)構(gòu)進行配筋。4.2結(jié)構(gòu)計算分析主樓二層樓板局部開大洞，為不連續(xù)樓板，需加強洞口周邊鋼筋混凝土梁的配筋，同時提高周圍樓板的厚度和配筋。樓板開大洞造成出現(xiàn)躍層柱，需提高躍層柱的配筋。轉(zhuǎn)換柱由于對承載力要求高，應(yīng)選擇使用型鋼混凝土柱，型鋼截面為HM400×200×8×13。底部加強區(qū)的剪力墻厚度取值較大一些，且最小配筋率取為0.35～0.4%，可以保證地面以上首層和第二層不出現(xiàn)薄弱層。通過彈性時程分析法（選取三組地震波），對結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)進行補充計算，同時調(diào)整框架結(jié)構(gòu)的配筋，讓建筑框架承擔部分地震剪力，可使結(jié)構(gòu)形成兩道有效的承載力防線，4.3主要抗震計算結(jié)果高層建筑抗震設(shè)計是一項復雜而又系統(tǒng)的過程，必須進行如下幾點工作：①根據(jù)結(jié)構(gòu)各個部分的受力分布情況和最大位移分布特點，分析結(jié)構(gòu)受力的不利情況并予以加強；②確保建筑的剪重比和剛重比等指標符合抗震規(guī)范的要求；③調(diào)整軟弱地基地震剪力系數(shù)，確保建筑結(jié)構(gòu)的剛度。從PMSAP的計算結(jié)果看，小震作用下建筑物最大的層間位移限值為1/948，罕遇地震作用下建筑的層間位移限值為1/125，均滿足國家規(guī)范的相關(guān)要求。在中震作用下，框架梁和連梁出現(xiàn)受彎承載力不足的問題，受剪承載力仍可以滿足要求，但比較接近限值[3]。而框架柱（包括轉(zhuǎn)換柱）和剪力墻均處于彈性狀態(tài)。從SAP2000的計算結(jié)果看，小震作用下建筑物最大的層間位移限值為1/1023，罕遇地震作用下建筑的層間位移限值為1/134，比PMSAP的計算結(jié)果更小，同樣可以滿足國家規(guī)范的相關(guān)要求。而且兩者的計算結(jié)果都反應(yīng)出轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換桁架都是比較薄弱的構(gòu)件，需要特別加強。
5結(jié)束語
高層建筑高度更高、結(jié)構(gòu)更復雜、人員活動更多，地震作用對建筑的危害也就更大，所以對高層建筑的設(shè)計要求更高。高層建筑在注重抗震概念設(shè)計的時候，也需要結(jié)合具體的施工環(huán)境、地理環(huán)境，確保高層建筑的設(shè)計達到安全性、適用性、經(jīng)濟性和美觀性的完美結(jié)合，這也正是設(shè)計師們在努力創(chuàng)新時源源不斷的動力。
參考文獻
[1]徐其功，蔡輝，李爭鵬.基于性能的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2015，30（7）：70~75.
[2]趙彤.高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計思想的應(yīng)用[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011，27（2）：15~22.
[3]李赫男.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的研究[J].黑龍江科技信息，2013，38（24）：188.
作者:王暄 單位:長沙市規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司