高层建筑结构抗震设计论文

摘要：对于一个高层结构的设计,遇到的问题可能错综复杂,只能具体问题具体分析。工程实践表明在高层结构的设计过程中,设计人员只有抗震概念清晰,构造措施得当应用合适的结构分析软件三者有机结合才能取得比较理想的结果在这个过程中抗震构造重于结构计算。本文对建筑抗震进行必要的理论分析从而探索高层建筑的设计理念、方法采取必要的抗震措施。

关键词：高层建筑，抗震，结构设计,概念设计

Abstract: for a high-rise structure design, the problems encountered may be perplexing, concrete analysis of concrete problems only. Engineering practice shows that the design process of the high-rise structure, design personnel only seismic conceptual clarity, structure measure analysis software three organic combination to achieve more

satisfactory results in the process of seismic structural weight in structure calculation structure properly applying the appropriate. This paper makes a theoretical analysis of necessity for building seismic design concept, in order to explore the method of high-rise building to take the necessary anti-seismic measures Key words: high-rise building, seismic, structural design 1．高层建筑发展概况

80年代,是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅发展的阶段。各大中城市普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的建筑,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上海锦江饭店,它是一座现代化的高级宾馆,总高153.52m,全部采用框架一芯墙全钢结构体系深圳发展中心大厦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。深圳于1995年6月封顶的地王大厦,81层高,385.95m为钢结构,它居目前世界建筑的第四位。 2建筑抗震的理论分析 2.1建筑结构抗震规范

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 (包括结构动力计算,结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)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。正是基于这种认识,现代规范中的条文有的被列为强制性条文，有的条文中用了 “严禁,不得,不许,不宜”等体现不同程度性和 “必须,应该,宜于可以”等体现不同程度灵活性的用词。

2.2抗震设计的理论

拟静力理论。拟静力理论是20世纪10～40年代发展起来的一种理论,它在估计地震对结构的作用时,仅假定结构为刚性,地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数 (地震系数)。

反应谱理论。反应谱理论是在加世纪40～60年代发展起来的,它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解,以及结构动力反应特性的研究为基础,是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。动力理论。动力理论是20世纪70-80年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的发展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 3.1抗震措施

在对结构的抗震设计中,除要考虑概念设计、结构抗震验算外,历次地震后人们在建筑高度,提高结构延性 (结构类型和结构材料使用)等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前,在抗震设计中从概念设计,抗震验算及构造措施等三方面入手,在将抗震与消震 (结构延性)结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法,直至进一步通过一些结构措施 (隔震措施,消能减震措施)来减震,即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且,强柱弱梁,强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。

3.2高层建筑的抗震设计理念

我国《建筑抗震规范》 (GB50011-2001)对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求 “三水准”即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此,要求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算,要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时,结构屈服进入非弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此,要求结构具有相当的延性能力 (变形能力)不发生不可修复的脆性破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而保障了人员的安全。因此,要求建筑具有足够的变形能力,其弹塑性变形不超过规定的弹塑性变形限值。

三个水准烈度的地震作用水平,按三个不同超越概率 (或重现期)来区分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重现期50年;设防烈度地震 (基本地震):50年超越概率10%,重现期475年;罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重现期11-2475年,平均约为2000年。对建筑抗震的三个水准设防要求,是通过 “两阶段”设计来实现的,其方法步骤如下:第一阶段:第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数,先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重

力荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角,使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施,保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能,从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段:采用与第三水准相对应的地震动参数,计算出结构 (特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角,使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施,从而满足第三水准的防倒塌要求。 3.3．高层建筑结构的抗震设计方法

我国的《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2001)对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定:高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构,以及近似于单质点体系的结构,可采用底部剪力法等简化方法;除1款外的建筑结构,宜采用振型分解反应谱方法;特别不规则的建筑、甲类建筑和高度范围的高层建筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算,可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

4.抗震概念设计的基本原则与要求 4.1.选择有利场地。

造成建筑物震害的原因是多方面的，场地条件是其中之一。由于场地因素引起的震害往往特别严重，而且有些情况仅仅依靠工程措施来弥补是很困难的。因此，选择工程场址时，应进行详细勘察，搞清地形、地质情况，挑选对建筑抗震有利的地段，尽可能避开对建筑抗震不利的地段，任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。对建筑抗震有利的地段，一般是指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土。建造于这类场地上的建筑一般不会发生由于地基失效导致的震害，从而可从根本上减轻地震对建筑物的影响。对建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指条状突出的山嘴、孤立的山包和山梁的顶部、高差较大的台地边缘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘；就场地土质而言，一般是指软弱土、易液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。 4.2.采用合理的建筑平立面。

建筑物的动力性能基本上取决于其建筑布局和结构布臵。建筑布局简单合理，结构布臵符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。经验表明，简单、规则、对称的建筑抗震能力强，在地震时不易破坏；反之，如果房屋体形不规则，平面上凸出凹进，立面上高低错落，在地震时容易产生震害。而且，简单、规则、对称结构容易准确计算其地震反应，可以保证地震作用具有明确直接的传递途径，容易采取抗震构造措施和进行细部处理。 4.3.选择合理的结构形式。

抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题。按结构材料分类，目前主要应用的结构体系有砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构、钢-混凝土结构等；按结构形式分类，目前常见的有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、简体结构等。结构体系的确定受到抗震设防烈度、建筑高度、场地条件以及建筑材料、施工条件、经济条件等诸多因素影响，是一个综合的技

术经济问题，需进行周密考虑确定。抗震规范对建筑结构体系主要有以下规定：①结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；②结构体系宜具有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；③结构体系应具有必要的抗震承载力，良好的变形能力和耗能能力；④结构体系宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力；⑤结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，在结构布臵时，应遵循平面布臵对称、立面布臵均匀的原则，以避免质心和刚心不重合而造成扭转振动和产生薄弱层。 4.4.提高结构的延性。

结构的延性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力，是防止在地震作用下倒塌的关键因素之一。结构良好的延性有助于减小地震作用，吸收与耗散地震能量，避免结构倒塌。而结构延性和耗能的大小，取决于构件的破坏形态及其塑化过程，弯曲构件的延性远远大于剪切构件，构件弯曲屈服直至破坏所消耗的地震输入能量，也远远高于构件剪切破坏所消耗的能量。因此，结构设计应力求避免构件的剪切破坏，争取更多的构件实现弯曲破坏。始终遵循 “强柱弱梁，强煎弱弯、强节点、弱锚固”原则。构件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系，致使结构的周期发生变化，以避免地震卓越周期长时间持续作用引起的共振效应。

确保结构的整体性。结构是由许多构件连接组合而成的一个整体，并通过各个构件的协调工作来有效地抵抗地震作用。若结构在地震作用下丧失了整体性，则结构各构件的抗震能力不能充分发挥这样容易使结构成为机动体而倒塌。因此，结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件，确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容。为了充分发挥各构件的抗震能力，确保结构的整体性，在设计的过程中应遵循以下原则：①结构应具有连续性。结构的连续性是使结构在地震作用时能够保持整体的重要手段之一。②保证构件间的可靠连接。提高建筑物的抗震性能，保证各个构件充分发挥承载力，关键的是加强构件间的连接，使之能满足传递地震力时的强度要求和适应地震时大变形的延性要求。③增强房屋的竖向刚度。在设计时，应使结构沿纵、横2个方向具有足够的整体竖向刚度，并使房屋基础具有较强的整体性，以抵抗地震时可能发生的地基不均匀沉降及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。

参考文献：

[1] 王社良.抗震结构设计(第3版) [2]朱镜清.结构抗震分析原理