高层建筑结构抗震设计探索

上传:ranzhenxu1 2022-04-24 17:56:57 版权声明 举报文章

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【摘要】阐述了高层建筑结构抗震设计的基本理论,分析了影响高层建筑结构抗震效果的主要因素,从地质勘察、地基处理、结构体系、平面布置、空间优化、材料选用、薄弱层处理、抗震验算、隔震技术、消能减震技术等方面出发,研究了高层建筑结构抗震设计的优化措施。

【关键词】高层建筑;建筑结构;抗震设计;优化措施

1引言

在诸多自然灾害中,地震对人类的影响尤为明显。震级越高,释放能量越大,产生的破坏程度越强。随着建筑高度的不断增加,其抗震性能越来越受到考验,必须引起人们足够的重视。在以往的抗震设计中,存在着一些难以解决的问题,需要加强理论研究和实践探索,积极挖掘新技术、新方法,不断完善高层建筑结构的抗震体系。

2高层建筑结构抗震设计概述

2.1地震作用

地震是一种自然现象,几乎每天都会发生,只不过大多震感不明显。我国位于两大地震带之间,是一个典型的地震多发国家,具有活动频率高、分布广、震源浅、强度大等特点,唐山大地震和汶川地震造成了大量的房屋坍塌和生命损伤,给人们造成的创伤至今无法抚平,因此,提高建筑抗震能力具有重要的现实意义。图1为震后高层建筑受损图。图1震后高层建筑受损图

2.2抗震设计理论

现阶段,抗震设防可以分为多遇地震、设防地震、罕遇地震3个水准点。常规的建筑结构抗震设计普遍遵循小震不坏、中震可修、大震不倒的思想理念,通常情况下,需要进行多遇地震下的弹性分析和罕遇地震下的弹塑性分析。同时,还应该包括设防地震下的中震分析。“三水准抗震设防”思想存在一定的局限性,没有进行定量规定,而且不能有效控制非结构构件,一旦地震发生,导致非结构构件丧失功能,可能会产生不可预估的损失。随着理论研究的不断推进,以及人们对建筑抗震期望值的不断增加,越来越多的抗震设计理论得以发展应用[1]。

3影响高层建筑结构抗震效果的主要因素

3.1选址问题

地震烈度是指某一地区的地面和建筑物遭受一次地震破坏的程度,不同地区的地震烈度不同,直接影响着高层建筑结构的抗震效果,而且场地内的地质条件、水文条件、地形地貌都会影响建筑场地的抗震能力。通常情况下,抗震设计采用基本烈度作为依据,然后根据建筑重要性、抗震性以及地质条件,结合场地烈度,对基本烈度进行调整,作为最终的设计烈度,所以,地质勘察、选址工作至关重要,直接决定了高层建筑的抗震效果和工程建设的经济性。

3.2建筑高度

一般情况下,建筑高度越高,建筑重心越高,稳定性越差。我国相关部门已经对建筑高度和结构体系进行了相关规定,在设计时,必须满足相应的设防烈度要求,严格按照规范执行。然而,随着经济水平的不断提升,高层建筑受到了市场的追捧,许多建筑存在着超高超限的问题,产生了一些不确定性因素,如果没有得到充分的设计论证,一旦发生地震作用,很容易产生形变破坏,甚至出现严重的安全事故,造成经济损失和人员伤亡[2]。

3.3建筑材料

建筑材料是建筑实体的基本组成部分,直接决定着建筑结构质量,不同材料有不同的性能,可以构成不同的结构体系。比如,钢结构具有自重轻、强度高、整体刚性好、抗震性能好、变形能力强等诸多优点,适于建造大跨度以及超高、超重型建筑,而型钢混凝土组合结构既具有钢结构的优势,又增加了混凝土结构的特点。所以,高层建筑结构抗震设计应该根据需求,尽可能使用抗震性能好的材料和结构形式,质量轻、强度高的建筑材料更有利于提升建筑抗震效果。

4高层建筑结构抗震设计优化措施研究

4.1做好地质勘察和地基处理工作

在工程选址时,除了注重地震烈度,必须加强地质勘察工作,详细了解影响场地抗震效果的各种因素,包括岩体的结构、力学特性、工程地质性质以及地下水的类型和分布,地质勘察是分阶段进行的,必须根据不同阶段的勘察要求,严格把控工作质量,保证勘察资料的完整性和准确性,为高层建筑结构抗震设计奠定良好的基础。根据现场地质条件,有针对性地制订地基处理方案,尤其要注意松散软弱土层、风化破碎岩层、断层、泥化软弱夹层、岩溶、土洞等特殊地质,着重提高地基承载力和稳定性,减少不良地质条件对工程建设的影响。根据地质条件和地基处理情况,选择合适的基础类型,常见的基础类型包括独立基础、条形基础、筏形基础、箱形基础、桩基础,在地基处理困难或者不经济时,通常可以采用桩基础,能够跨越一定范围的不良地质,从而为上部建筑提供有力支撑[3]。

4.2选择合适的结构体系

根据建筑承重结构材料划分,适用于高层建筑的结构体系包括钢筋混凝土结构、钢结构、型钢混凝土组合结构,其中,后两者由于钢材的优越性能,具有抗震性能好、变形能力强的优点。根据承重体系划分,适用于高层建筑的结构体系包括框架结构、剪力墙结构、框剪结构、筒体结构。其中,框架结构平面布置灵活,但侧向刚度较小,容易产生非结构性构件损坏;剪力墙结构侧向刚度大,但平面布置不够灵活;框剪结构集合了框架结构与剪力墙结构的优点;而筒体结构是抵抗水平荷载最有效的结构体系,适用于高度较高的建筑。在抗震设计时,应该充分考虑不同结构体系的抗震性能,根据实际情况,合理设置多道防线,提高建筑结构的安全性能。

4.3优化建筑平面和空间设计

柱子、墙体等主要受力结构的平面布置和空间设计,也直接影响着高层建筑结构的抗震性能,在设计时,应该充分考虑工程特点、施工技术、现场条件等综合因素,尽可能使结构平面和空间布置相对简单,同时,注意分布的合理性,使各部分结构受力均匀,减少薄弱部位的出现。通常情况下,建筑结构的质量中心需要与刚度重心相吻合,在设计竖向结构时,应该适当降低刚度重心,控制竖向结构的错向频率,保证竖向位置平衡。另外,合理设置构造柱,可以竖向加强墙体连接,增强建筑物承受地震作用的能力,防震缝的设计也至关重要,一般从基础顶面开始设置,根据建筑高度和抗震烈度,严格控制缝宽[4]。

4.4注重建筑材料的选择应用

相对而言,结构尺寸越小,建筑自重越轻,在遭受地震波冲击时,产生的破坏性越小,但这需要以提高材料性能为保障,在缩小构件尺寸的同时,能够提供同样的承载力,比如,使用高强混凝土,提高钢筋强度等级,设置构造钢筋和抗扭钢筋,等等。随着工程行业的持续繁荣,建筑材料市场也得到了快速发展,许多新材料如雨后春笋般涌现,设计人员应该及时掌握市场变化,了解各种材料的优越性能,科学研判其抗震能力,积极运用到高层建筑结构抗震设计上来,尽量选择质量好、质量小、强度高的复合型材料,能够应对各种复杂状况,达到减轻建筑自重、抵御地震灾害的目的。

4.5结构薄弱层的加强处理

高层建筑结构的侧向刚度分布不均匀,竖向抗侧力构件不连续,再加上楼层承载力突变,很容易出现薄弱层,当发生地震时,这些薄弱部位首先会遭到破坏。所以,必须针对薄弱层进行抗震加强设计,优化结构构件的抗震性能,达到局部增强的效果,减少变形问题的出现,设计人员应该提高重视程度,采用科学的处理方法,保证建筑结构的整体性[5]。

4.6做好截面抗震验算工作

为了保证高层建筑结构截面抗震效果,必须做好验算工作,注重非抗震承载力设计值的选用,紧密联系承载力抗震调整系数,保证截面抗震验算的科学性和准确性。充分利用现代信息技术,在网络和计算机的支持下,应用先进软件工具,提高验算质量和效率,提升设计内涵,确保设计目标的顺利实现。

4.7隔震技术的有效应用

应用隔震技术,能够有效延长高层建筑结构自身震动的周期,从而降低地震造成的破坏程度。隔震层的设计至关重要,利用隔震装置,可以将高层建筑的上部结构和下部结构分割开来,在地震作用下,隔振系统能够化解较多能量,上部结构做缓慢平动,这需要隔震装置具有强大的承载能力,因此,必须保证使用高性能材料,而且为了延长使用寿命,还应该做好保护设计,避免隔震装置失效。为了提高高层建筑结构的抗震能力,可以在顶楼设置反摆隔震层,如果发生地震,反摆隔震层能够产生反方向阻力,缓解地震波的冲击,隔震层的位置选择以及隔震装置的质量标准,都是隔震技术的应用要点,需要设计人员着重把控。图2为隔震技术示意图。

4.8消能减震技术的应用

消能减震技术在高层建筑结构抗震设计中的应用,主要是将某些非承重结构构件设计成消能构件,或者在某些节点安装耗能装置,如阻尼器等,在发生小地震时,消能装置处于弹性状态,高层建筑结构具有足够的侧向刚度,能够满足正常使用需求,当发生中强地震时,随着结构变形和受力的不断增加,消能装置进入非弹性变形状态,这时会产生较大的阻尼,能够消耗地震产生的能量,并快速衰减结构的地震反应,防止主体结构产生明显破坏。消能减震技术是以牺牲消能构件为代价保护主体结构,在地震结束后,可以修复、更换消能构件,使高层建筑恢复到正常使用状态,这与传统抗震体系相比,体现了较强的实用性和灵活性,最重要的是抗震效果更佳,消能减震技术成为减少地震灾难的有效技术[6]。

5结语

综上所述,抗震设计是高层建筑结构设计的重点内容,直接影响着高层建筑的安全性和稳定性。随着经济社会的不断发展,高层建筑越来越多,成为城市靓丽的风景线,然而,高层建筑容易受到地震冲击波的影响,可能会产生严重的损失。本文针对高层建筑结构抗震设计优化措施进行研究,在明确抗震设计理论的基础上,分析了有效的应对方法,希望能够起到积极的现实意义,提升高层建筑结构抗震设计水平,在发生地震灾害时,能够有效减少损失,保证生命财产安全。

【参考文献】

[1]卢一麟,尹凤霞,郭献洲.超限高层建筑结构抗震设计加强措施和建议:以某超限高层建筑为例[J].地震工程学报,2018,40(6):1252-1258.

[2]李子懿,肖从真,李建辉,等.复杂高层建筑结构抗震设计方法研究现状与展望[J].建筑科学,2019,35(9):120-125.

[3]邵李娜,华全庆.高层建筑结构抗震设计存在的问题及其对策[J].工程建设与设计,2019(22):24-25.

[4]肖从真,王翠坤,黄小坤.高层建筑结构抗震设计方法及结构体系创新[J].建筑科学,2018,34(9):33-41.

[5]张建新,李辉,孙柏涛.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].世界地震工程,2016,32(1):94-97.

[6]魏琏,王森.中国建筑结构抗震设计方法发展及若干问题分析[J].建筑结构,2017,47(1):1-9.

作者:王斌斌 单位:安徽电信规划设计有限责任公司