高层建筑结构抗震设计优化措施探讨

2016-04-14赵永宇

地球 2016年4期

关键词：概念设计延性钢结构

■赵永宇

（潍坊市地震局山东潍坊261061）

高层建筑结构抗震设计优化措施探讨

■赵永宇

（潍坊市地震局山东潍坊261061）

汶川地震这场巨大灾难引发的严重伤亡和财产损失，引发了高层建筑抗震设计的焦点问题，高层抗震设计受到了世界各国学者的广泛关注本文探索性的提出具体的抗震设计优化策略和方法，憧憬新型材料的开发和广泛的应用。

高层建筑结构抗震设计优化措施

1　高层建筑抗震设计的必要性

20世纪70年代以来，高层建筑结构工程师在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到概念设计的重要性。抗震概念设计就是运用人们对建筑结构抗震已经通过实验或理论证实过的理念去解决结构设计中遇到的诸如房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等问题，从宏观上进行鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造模型，从而减轻建筑物抗震性能差的缺点，以达到合理抗震设计的目的。概念设计要求工程师拥有明锐的思维和快速的决策能力，分析大量地震灾害造成损失的原因，得出的高层建筑结构抗震经验理论，从客观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须了解高层建筑结构受地震影响的特点，振动中结构的受力特征，用正确的理念来指导概念设计，才会获得成功。

2　高层建筑结构抗震的优化策略

在对高层建筑结构的抗震设计中，从概念设计、抗震验算及构造措施等三方面入手，在抗震过程中以预防为主，建立设计高层建筑地震力与结构延性相互影响的双重设计指标和方法，使得高层建筑在地震中有良好的抗震性能。抗震设计的延性要求也是高层建筑设计中的重点，抗震设计的延性要求是指一个建筑物超出弹性极限后，还保有塑性承载力使房屋可随着地震摇晃而又没有整体方面的破坏。高层建筑结构设计要求高层建筑既要有一定的局部屈服度又要有整体结构的整体性能。

2.1城市高层结构抗震优化设计的新方法

2.1.1选择合理的结构体系。抗震结构体系是由若干个延性较好的分体系组成，并由他们之间的连接物构成一个整体协同工作。所以选择结构合理，协同程度高的分体系是高层建筑结构具有优良抗震性能的第一步。

2.1.2减小地震能量的输入和设置消能减震构件。强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致整体倒塌。主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，有意识地建立一系列分布的屈服区，以使结构能吸收和耗散大量地震能量，提高结构抗震性能，避免小震震不停，大震整体倒塌的悲剧。

2.1.3控制地震的扭转效应，并且对层间位移加以限制。建筑的质量和刚度变化要均匀，才能在水平地震中发生扭转震动，避免设计时对质量和刚度分布不连续情况的发生。

2.1.4适当处理结构构件的强弱关系。同一楼层内使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，可以使有效屈服保持一段时间，保证高层建筑工作人员有时间维护和修葺，增加结构的延性和抗倒塌能力。在抗震设计中高层建筑中，若某一部分结构设计超强，可能造成其他结构薄弱，因此在设计以强代小这样的结构时或改变抗侧力构件配筋时，需要在专业人员指导下进行操作。

2.1.5保证楼盖的整体性。每层楼盖都会起到充当水平隔板的作用，所以我国抗震规范建议钢结构的楼盖宜采用压型钢板现场浇筑钢筋凝土组合楼板，或者采用非组合楼板构建高层建筑物，对超过12层的钢结构，必要时可设置水平支撑。

2.2高层建筑抗震结构中抗侧力体系的优点

对于高层建筑楼来说，刚性比柔性好，采用刚性结构方案的高层建筑楼，在有地震灾害时，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时的结构变形小，隔墙、围护墙等非结构部件将得到保护，破坏也会减轻。提高高层建筑结构的超静定次数，在地震灾害来临时，能够出现的塑性铰就多，能耗散的地震能量也就越多，结构就愈能经受住较强地震而不倒塌，可以有效增加高层建筑结构体系的抗震性能，有效抵制地震灾害带来的损失。

2.3我国高层建筑结构体系

我国高层建筑中常采用的结构体系有:框架、框架～剪力墙、剪力墙和筒体等几种体系，虽然这也是其他国家高层建筑采用的主要体系，但国外，地震频发地区，是以刚结构为主，而在我国不论是否地震频发区，钢筋混凝土结构都占主导地位。钢结构同混凝土结构相比，具有优越的强度、韧性和延性，强度重量比，总体抗震性能比混凝土结构好，抗震能力强，但是钢筋混凝土结构的抗震性并不是钢结构和混凝土结构的叠加，反而会减弱钢结构的抗震性能。震害调查表明，钢结构较少出现倒塌、大面积损坏情况，而在高层建筑中采用框架～核心筒体系，因其比钢结构的用钢量少，又减少了柱子断面，故常被业主所看中。

3　新型高性能材料的选取

目前，材料的选用在地震多发区得到了人们的重视。现在我国钢材产量已居世界前列，建筑钢材的类型及品种也在逐渐增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，混凝土材料也有重大发现，混凝土的性能也有很大提高。因此在有条件的地方，建议尽可能采用以新型混凝土和高强度钢筋为中心，搭建高层建筑物骨架；采用以钢管为骨架的钢管混凝土结构；或者可以搭建钢结构高层建筑而使用混凝土。改善的重点是减小柱断面尺寸，并改善高层建筑结构的抗震性能。在高层建筑结构中，由于钢结构质量较轻，为减小风振需要采用混凝土材料，钢筋混凝土材料才会作为首选。工程经验表明:利用钢管混凝土承重高层建筑物的自重可减轻至65%，柱截面会减小，实际使用面积会增加；钢材总体消耗与钢筋混凝土结构大体相同，但是与钢筋混凝土结构相节约15%工程造价，减少等待混凝土凝固的时间，工程施工工期可缩短1/2。