高层结构的抗震概念设计及措施浅析

高层建筑设计尤其是在高层建筑抗震设计中,应当非常重视概念设计。这是因为高层建筑结构的复杂性、发生地震时震动的不确定性、人们对地震时结构响应认识的局限性与模糊性、高层结构计算尤其是抗震分析计算的精确性、材料性能与施工安装时的变异性以及其他不可预测的因素,致使设计计算结果(尤其是经过实用简化后的计算结果) 可能和实际相差较大,甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。在设计中,虽然分析计算是必须的,也是设计的重要依据,但仅靠此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求,不能达到预期的设计目标,因此必须非常重视概念设计。从某种意义上讲,概念设计甚至比分析计算更为重要,因为合理的结构方案是安全可靠的优秀设计的基本保证。

3 建筑抗震概念设计的基本内容

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,此种类型建筑在地震时较不容易破坏,容易估计出其地震反应,易于采取相应的抗震构造措施和进行细部处理。“建筑结构的规则性”包含了对建筑的平立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分布,承载力分布等诸多因素的综合要求。“规则建筑”体现在体形(平面和立面的形状) 简单;抗侧力体系的刚度承载力上下变化连续、均匀;平面布置基本对称。

3. 2 抗震概念设计应坚持的原则

1) 刚柔相济原则。在抗震设计中,不能一味地提高结构的抗力,一般是根据初定的尺寸和混凝土等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,然后计算配筋。如果结构刚度太大,地震作用效应就很大,这样为抵御地震而需配更多的钢筋,因此,增加了结构的刚度,反而使地震作用效应增强。在较大的地震力瞬间袭来时,极易造成局部受损,最后导致各个击破;而太柔的结构虽然有很好的延性,可以消减外力,但容易造成变形过大而无法使用,甚至整体倾覆。在抗震设计中,为了实现刚柔相济的原则,既满足变形要求,又能减小地震力,最主要的方法是进行隔震消能设计。隔震消能设计一般的做法是在基础和主体之间设置柔性隔震层、加设消能支撑(类似于阻尼器的装置) 等;另外,在抗震设计中“刚柔相济”可以通过合理控制设计总信息来实现。比如周期、位移、地震力应满足建筑抗震设计规范限值要求或者不超规范太多。

2) 多道设防原则。强烈地震后往往伴随多次余震,如果只有一道设防,在首次破坏后再遭余震,结构将会因损伤积累而导致倒塌。因此,一个抗震结构体系,应由若干个延生较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接起来协同工作,如框架—剪力体系是由延性框架和抗震墙两个分体系组成。

3. 3 抗侧力结构和构件应设计成延性结构或构件延性是指构件或结构具有承载能力基本不降低的塑性变形能力的一种性能。

在“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设计原则下,结构应设计成延性结构。当设计成延性结构时,由于塑性变形可以耗散地震能量,结构变形加大,但结构承受的地震作用不会直线上升,也就是说,结构是用它的变形能力在抵抗地震作用。延性结构的构件设计应遵守“强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱杆件,强底层柱”原则,承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

3. 4 应有意识地加强薄弱环节

1) 结构在强烈地震下不存在强度安全储备,构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析) 是判断薄弱层的基础。

2) 要使楼层(部位) 的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对均匀的变化,一旦楼层(部位) 的这个比例有突变时,会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。

3) 要防止在局部上加强而忽视整个结构各位刚度、承载力的协调。

4) 在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位) ,使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移,这是提高结构总体抗震性能的主要手段。

3. 5 应采用合理的建筑结构体系

建筑布局除考虑功能要求外,结构单元抗侧力结构的布置宜规则、对称,受力明确,传力合理,传力途径不间断,并应具有良好的整体性。

1) 抗侧力构件应布置合理。如在框架—剪力墙结构中,剪力墙宜均增布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位,剪力墙间距不宜过大;平面形状凹凸较大时,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙;纵、横剪力墙宜组成L型、T 型和[型等形式;剪力墙宜贯通建筑物的全高,避免刚度突变;剪力墙开洞口宜上下对齐;抗震设计时,剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。

2) 结构的整体性要好。高层建筑结构中,楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板,它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力的子结构,而且要使这些子结构能协同承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时,整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和抗力,并与竖向各子结构有效连接。所以房屋的顶层、结构转换层、平面复杂或开洞过大的楼层、作为上部结构嵌固部分的地下室楼层应采用现浇楼盖结构。一般楼层现浇楼板厚度不应小于80 mm , 顶层楼板厚度不宜小于120 mm ,普通地下室顶板厚不宜小于160 mm;作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构,楼板厚度不宜小于180 mm。

4 做好概念设计应注意的问题

1) 结构方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防来选择合理的结构类型。

2) 不同结构体系在竖向荷载、风荷载及地震力作用下的受力特点。

3) 风荷载、地震作用及竖向荷载的传递途径。

4) 结构破坏的机制和过程,以加强结构的关键部位和薄弱环节。

5) 建筑结构的整体性、承载力和刚度在平面内及沿高度均匀分布,避免突变和应力集中。

6) 预估和控制各类结构及构件塑性铰区可能出现的部位和范围。

7) 地基变形对上部结构及其受温度变化的影响。

8) 各类结构材料的特性及其受温度变化的影响。

9) 非结构件对主体结构抗震产生的有利和不利影响,要协调布置,并保证与主体结构连接构造的可靠等。

要搞好抗震设计必须从方案开始。首先要求建筑方案设计人员必须一定的结构概念，尽量采用规整的结构体系，不一味追求外观而破坏了结构体系的合理性。

还要求结构设计人员在方案阶段就要介入，强力主导干预结构体系的选型,为结构选择一个合理的结构体系是建筑物结构抗震的根本所在。