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高层混凝土建筑抗震结构设计探讨

2016-12-27吴其彪

中国高新技术企业 2016年32期
关键词:高层抗震结构设计

摘要:近年来我国地震频频发生,建筑业对房屋抗震设计问题已引起了重视。根据我国抗震的相关标准,要求高层混凝土建筑必须进行合理设计施工,实现“大震不倒,小震不坏”的设计目标。文章讲述了高层混凝土建筑结构的特点及抗震结构设计要求,分析了高层建筑遭遇地震时的破坏特点,提出了高层混凝土建筑抗震结构设计的方法。

关键词:高层混凝土建筑;建筑结构;抗震结构设计;建筑业;地基破坏;结构体系破坏 文献标识码:A

中图分类号:TU97 文章编号:1009-2374(2016)32-0105-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.052

长期以来,抗震结构设计是高层建筑混凝土结构设计中的一个难点,也是至关重要的一个环节。主要因高层建筑人口相对密集,若高层混凝土建筑抗震性能较低,在发生地震灾害的情况下极易发生坍塌,从而造成不堪设想的后果。因此,在高层混凝土建筑设计过程中,必须对抗震结构设计引起足够重视,才能保障高层建筑居民的生命及财产安全。

1 高层建筑结构的特点

高层建筑主要是指建筑物自身高度达到28m以上或者建筑物层数达到10层以上。从专业角度来讲,高层建筑为竖向悬臂结构,在垂直荷载与水平荷截的影响下,建筑的混凝土结构可产生弯矩及强大的轴向力。从建筑受力特性角度来看,随着建筑物的高度增加,若垂直荷载方向不变则不会增加建筑的引起量,进而也不会对建筑水平荷载产生任何影响,若建筑的载荷均匀分布时,建筑物的高度与弯矩是呈二次方变化的。而从侧移性角度来讲,建筑物的竖向荷载不会引发明显侧移,当建筑物的水平荷载呈均匀分布时,建筑物的高度与侧移大小是呈四次方变化的。可见水平荷载是影响高层结构的重要因素,也是结构设计的主要控制因素。

2 高层混凝土建筑抗震结构设计的要求

通常在高层混凝土建筑抗震结构设计中要求提升高层混凝土建筑的抗震效果,确保在遇到较强地震时建筑物不发生倾倒或通过维护检修后可继续使用,遇到轻微地震时不会损伤整体结构并能保持稳固。

因此,就对高层混凝土建筑抗震结构设计提出了较高的要求,在设计过程中必须对各方面因素进行综合考虑,做到刚柔配合,使高层混凝土建筑能够科学合理受力,同时进行有针对性的规划和设计,以“强剪弱弯”的设计原则使高层混凝土建筑抗震结构的稳定性得到进一步提高。一方面,在高层混凝土建筑抗震结构设计时应把握好刚度值,通过对刚度值精准的分析和计算,全面了解实地情况、质地组成、机械设备参数等,以计算高层结构整体刚度,有利于提高抗震效果;另一方面,设计师在设计高层建筑结构时,应对核心构件及连接点的受力情况引起重视,采取有效的处理措施对其进行调整、优化,以达到防灾减震的目的,尽可能减少地震所带来的损失。同时,在高层混凝土建筑抗震结构设计时,为确保其刚度和强度适宜,应进一步改善其结构的延展性,从而保障高层混凝土建筑抗震结构的抗震

效果。

3 高层建筑地震时破坏特征分析

3.1 地基破坏特征

如果建筑的地基正处于软土层区域,因土体液化易引起基础沉降,而导致建筑结构易发生破坏,如建筑倾斜等现象。对于少数修筑在危险地段的建筑而言,若该区域发生地震则可导致建筑出现不均匀沉降或者建筑墙体裂缝。除此之外,如果高层建筑所设计的结构周期与场地周期一致,则发生地震时可能会出现共振效应,从而严重破坏建筑物的结构系统。

3.2 结构体系破坏特征

对于部分高层建筑采用的钢框架填墙结构,若该地区发生地震灾害,则比较容易导致建筑平面内框架柱出现剪切型损坏,且在建筑窗下墙作用下导致其部分窗洞出现短柱性损坏。长期调查发现,一般性地震不会对建筑框架剪力墙结构带来太大的影响。而底框结构刚度较低,在发生地震时结构破坏较严重,因框架填墙结构中敞开式的底层框架,未砌墙时刚度较低,因此会严重破坏到其底层。

3.3 刚度破坏特点

若建筑主体结构采用不对称的平面形状,如L形、Y形等,在发生地震时易发生扭转,从而加重地震破坏程度,因此建筑平面形状宜规则、对称、简单,同时平面长度不宜过长,对于不规则的平面布置不宜采用。若建筑平立面不规则、体型复杂,应根据地基基础条件、不规则程度及技术经济等因素进行综合性分析比较,有利于确定是否设置防震缝。

3.4 构件的破坏特点

若建筑采用的是框架剪力墙结构,一般框架柱对地震的抵抗力较强,主要因框架柱设置了螺旋箍筋,因此层间位移角较大,而剪力墙的窗台下部位置易发生交叉性裂缝。

4 高层混凝土建筑抗震结构设计的方法

4.1 科学选定建设位置

科学选定高层混凝土建筑的建设位置至关重要,关系着高层混凝土建筑的抗震性能,故应对项目区域的地质灾害情况进行综合性分析,科学合理地选择高层混凝土建筑的建设位置,一般高层混凝土建筑不宜选择在山坡和丘陵,主要因这些区域的抗震能力不强,对建筑的抗震设计十分不利。同时应避免建设在距离变电站、电厂较近的区域,以避免建筑因周边环境而受到影响。

4.2 改进结构设计方案

根据我国现行的建筑工程抗震的相关规范和标准,高层混凝土建筑抗震结构设计中应改进结构设计方案,主体结构要能抵御空间的变形,且在结构延伸变化时可恢复,有利于确保高层混凝土建筑的稳定性,避免高层混凝土建筑结构变形时产生形变。在评价高层混凝土结构在地震作用下所受到的影响时,应对各结构部分进行综合考虑,并进行科学合理分析,使高层混凝土各部分的受力情况得到有效控制,从而提升建筑的抗震性能。同时对于高层混凝土的竖向结构受力应引起重视,使高层混凝土建筑符合刚度设计的相关要求,有利于保障受力平衡,从而提高高层混凝土建筑结构的稳定性。

4.3 抗震加固设计

一般情况下,在高层建筑设计时都会明确建筑抗震级别,因此在高层建筑设计时除了满足必要的刚度、延性要求,更重要的是要达到标准刚度。由于高层建筑自身的钢筋混凝土重量比较大,整个建筑的高度必须与底层柱轴力呈正比关系,这对建筑主要构件的延性要求就相对较高,在已确定成高的情况下,增强构件的延性主要通过调整轴压比的方式来实现,但轴压比不能太大,否则会导致结构短柱,使延性受到限制,若遭遇强烈的地震,易破坏剪切性,因此必须进行抗震加固设计,以防止建筑整体倒塌。

4.3.1 使用螺旋复合箍筋。一般框架柱的抗剪能力应符合强剪弱弯和剪压比,根据强柱弱梁限值的标准,柱子端部的抗弯能力必须满足这一条件,而在强剪弱弯和强柱弱梁时,短柱不会破坏剪切性,螺旋复合箍筋的优点体现在可使柱子的抗冲剪能力和短柱抗震性能得到有效提高。

4.3.2 选用分体柱。由于建筑的短柱所具备的抗剪性能低于抗弯性能,因此当出现地震时建筑的短柱尚未发挥抗弯性能时便出现明显的剪性破坏,因此在设计过程中应确保短柱满足抗弯的屈服强度。基于此,笔者认为可沿着短柱体竖向设缝,且将短柱划分为多个分体柱,然后在分体柱的配筋中合理分布一定数量的连接键(如通缝、分隔板、摩擦阻尼器等),这样便可在一定程度上增强构件的刚度及抗震性能。即便是采用分体柱无法有效增强柱子的抗碱性,但能使抗弯能力降低并能使柱子的抗变形能力提高,可将短柱转变为长柱,从而使短柱的抗震能力增强。

4.4 控制扭转效应

地震会对建筑产生扭转力、竖向力和水平力,建筑物在各方向力的作用下会受到严重破坏。因地震发生具有随机性和突然性,因此难以预测地震的发生时间及强度,并且还会受到很多未知因素的影响,故在高层混凝土建筑结构抗震设计时,应注意防护其竖向力和水平力,应用考虑扭转力作用,对于抗震结构位移应提高要求,为确保混凝土建筑整体位移的一致性,应对最大和最小位移结构的刚度进行测定。同时,应分析建筑的整体抗震性能,若发现存在隐患应及时采取纠正措施,使高层混凝土建筑的抗震性能得到保障。

5 结语

总之,随着我国经济的发展,为了满足人们的居住要求,一幢幢高层建筑拔地而起,这就要求高层混凝土建筑具有更高的安全性、稳定性。因此,在高层混凝土建筑结构设计中必须对抗震结构设计引起重视,在规划设计过程中,不仅要对建筑物建设区域的地质条件进行全面分析,还应动用科学的方法使高层混凝土建筑结构的抗震性能得到进一步提升,才能够使人们的生命及财产安全得到保障。

参考文献

[1] 邢杰.钢结构室内加层用于高层混凝土建筑中的抗震分析研究[J].工程抗震与加固改造,2015,(1).

[2] 冉超,桑超,张涛.高层混凝土建筑抗震结构设计解析探析[J].科技风,2015,(19).

[3] 伍云天,姜凯旋,叶鹏.新规范下钢筋混凝土超限高层建筑性能化抗震设计方法研究[J].建筑结构,2014,(18).

作者简介:吴其彪(1982-),男,广西贵港人,供职于华蓝设计(集团)有限公司,研究方向:建筑结构设计。

(责任编辑:小 燕)

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