城市高层建筑抗震设计浅析

【摘要】：随着社会的发展，高层建筑得到广泛应用。而高层建筑中地震荷载和风荷载在设计过程中占主导和控制地位，我国又是地震多发国家，因此高层建筑的抗震设计分析显得尤为重要。本文介绍了高层建筑的结构形式和设计特点，分析了各种结构形式的抗震效果，以期对相关人员在房屋结构抗震设计有所帮助。
　　【关键词】：高层建筑，结构设计，抗震措施
　　地震灾害是人类面临的严重的自然灾害之一。强烈地震常造成人身和财产巨大损失，如何能够使房屋设计在地震灾害中经受住考验，保证人民财产的安全，越来越成为我们每个结构设计人员注意的问题。随着我国社会主义现代化建设和城市化进程的不断向前推进，建设用地日趋紧张，促使建筑功能越来越多样化，高层建筑得的发展是大势所趋。高层建筑的特点是高度比较高，所以地震荷载和风荷载在设计过程中占主导和控制地位，而我国又是地震多发国家，因此高层建筑的抗震设计分析显得尤为重要。
　　一、场地和地基的勘查
　　工程施工前，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对不利地段，应提出避开要求，当无法避开时应采取有效措施；选择地基时，一般而言，岩石、半岩石和密实的地基土对房屋抗震最有利，是最好的建筑场地；而松软的，软弱粘性土等，尤其是易发生砂土液化的地区，都对房屋的抗震不利。同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；同一结构单元不宜部分采用天然地基不采用桩基。
　　二、建筑结构参数设计计算分析
　　参数设计是进行地震作用和房屋各构件的地震响应计算，包括各墙柱梁板承载力和变形计算。开始计算前，应根据高层结构的实际工作状况，建立正确的计算模型，根据概念设计做必要的简化计算与处理。计算软件技术条件的输入应符合规范及有关标准的规定，并应根据具体工程注意需要特殊处理的内容。对于复杂结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个不同的力学模型，目前主要有两种计算理论：剪摩理论和主拉应力理论，它们有各自的适用范围：砖砌体一般采用主拉应力理论，而砌块结构可采用剪摩理论。对计算机的计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。结构计算控制的主要计算结果有结构的自振周期、位移、平动及扭转系数、层间刚度比、剪重比、有效质量系数等。另外，地下室水平位移嵌固位置，转换层刚度是否满足要求等，都要求有层刚度作为依据。复杂高层建筑抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔结构的振型数不应小手塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90％。总之，高层结构计算很难一次完成，应根据试算结果，按上述要求多次调整，才能得到较为合理的计算结果，以保证建筑物的安全。
　　三、高层建筑结构分析及计算方法
　　1、框架－剪力墙结构
　　框架－剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。
　　框架－剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
　　2、剪力墙结构
　　剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。
　　剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
　　3、筒体结构
　　筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。
　　等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。
　　等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。
　　比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引入其它假定时，每一楼层的总自由度数为6Nc+7Nw（Nc、Nw为柱及墙肢数目）。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自由度数降为3（Nc+Nw）＋4，这是目前工程上采用最多的计算模型。
　　四、结构设计的抗震措施
　　1、框架结构抗震构造措施
　　框架结构的抗震能力相对来说比较弱，但通过一些抗震措施也可以得到些许提高。对框架结构的梁来说要符合以下几点要求：1截面宽度不宜小于200mm；2截面高宽比不宜大于4；3净跨与界面高度之比不宜小于4。对框架结构的柱子来说主要是柱内纵向钢筋配置，具体措施如下：1柱要对称布置；2截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm；3柱总配筋率不大于5%；4一级且剪跨比不大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不大于1.2%；5柱纵向钢筋的绑扎接头应避开柱端的箍筋加密区。
　　2、剪力墙结构抗震构造措施
　　剪力墙结构中起抗震作用的主要是剪力墙，剪力墙的厚度，一、二级不应小于160mm且不小于层高的1/20，三、四级不小于140mm且不小于层高的1/25。底部加强部位的墙厚，一、二级不小于200mm且不小于层高的1/16；无端柱或翼墙时不应小于层高的1/12。剪力墙厚度大于140mm时，竖向和横向分布钢筋应双排布置；双排分布钢筋间拉筋的间距不大于600mm，直径不小于6mm；在底部加强部位，边缘构件以外的拉筋间距应适当加密。
　　3、框架-剪力墙结构抗震构造措施
　　该结构体系中，剪力墙的厚度不小于160mm且不小于层高的1/20，底部加强部位的剪力墙厚度不小于200mm且不小于层高的1/16，剪力墙周围设置梁和端柱组成的边框。对剪力墙中的竖向和横向钢筋来说，配筋率不小于0.25%，并双排布置，拉筋间距不大于600mm，直径不小于6mm。
　　4、筒体结构抗震措施
　　对框架-核心筒结构来说，核心筒与框架之间的楼盖宜采用梁板体系。高于9度设防时才采用加强层，当对结构整体分析时要顾及加强层变形的影响。加强层的大梁或桁架应与核心筒内的墙肢贯通；大梁或桁架与周边框架柱的连接宜采用铰接或半刚接。
　　五、结论
　　地震是一种目前难以准确预测的自然灾害，为避免它给人类带来大的灾难，作为工程技术设计人员在建筑结构的研究和工程设计中，应从整体宏观的观点出发，综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几方面内容，从而创造出更加安全、适用、经济美观的高层建筑。
　　参考文献：
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