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高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計

來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:建筑設(shè)計時間:瀏覽:

  進(jìn)入上世紀(jì)90年代以后,高層建筑已成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展趨勢。高層建筑不僅在材料和結(jié)構(gòu)體系上逐漸多樣化,優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也越發(fā)受到業(yè)界普遍關(guān)注和重視。我國處于地震多發(fā)區(qū),結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已提到建筑設(shè)計的日程,高層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計必須引起足夠的重視。但在如今高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中,因為設(shè)計師的設(shè)計理念和認(rèn)識上的差異,在可靠性設(shè)計方面仍值得進(jìn)一步商榷。而高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計關(guān)系到建筑安全的首要問題,更突顯出其重要的地位。

  1住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

  抗震設(shè)計要剛?cè)嵯酀?jì),選擇合適的結(jié)構(gòu)形式,從而保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能,確保建筑物滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標(biāo)。建筑物在地震力的作用下,結(jié)構(gòu)形態(tài)會發(fā)生較大變化,而設(shè)計者需要根據(jù)不同地震烈度不同建筑類型,采用不同的結(jié)構(gòu)類型和不同的構(gòu)造措施,從而達(dá)到安全和效益相統(tǒng)一的目的。因此,在高層建筑設(shè)計時必須認(rèn)真進(jìn)行抗震設(shè)計。在建筑抗震設(shè)計過程中若一味的提高結(jié)構(gòu)抗力,增加結(jié)構(gòu)剛度,則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度大則在地震發(fā)生過程中地震作用也會相應(yīng)增大。因此,應(yīng)考慮好結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力、穩(wěn)定性、延性、剛度等方面的性能。對結(jié)構(gòu)的相對薄弱位置,進(jìn)一步采取抗震措施。再者,承受豎向荷載構(gòu)件,不能做為主要耗能構(gòu)件。在進(jìn)行抗震設(shè)計時,盡可能設(shè)多道防線,從而形成一個完整的抗震結(jié)構(gòu)體系,通過各個延性良好的分體系的協(xié)同工作,從而達(dá)到良好的抗震效果。在處理結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱關(guān)系時,盡量使“有效屈服”保持較長階段,保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。合理設(shè)計結(jié)構(gòu)的受力性能,當(dāng)某一部位結(jié)構(gòu)設(shè)計過強(qiáng)時,可能造成局部結(jié)構(gòu)薄弱,因此,需考慮結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)工作。

  2住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

  2.1結(jié)構(gòu)規(guī)則性。建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則可能造成較大的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng),產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力集中,或形成抗震薄弱層。大量地震災(zāi)害表明,高層建筑物平面對稱、結(jié)構(gòu)簡單、剛度質(zhì)量沿建筑物豎向均勻分布的建筑具有較好的抗震性能。因此,在建筑抗震設(shè)計中,應(yīng)使建筑物的平、立面布置規(guī)則、對稱、具有良好的整體性。同時,質(zhì)量與剛度變化均勻分布,防止在平面上質(zhì)量中心與剛度中心不重合而造成嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動。其中豎向抗側(cè)力的截面尺寸和材料強(qiáng)度應(yīng)自下而上逐漸減小,從而避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變而形成薄弱層。

  2.2層間位移限制。高層建筑都具有較大的高寬比,其在風(fēng)力和地震作用下往往能夠產(chǎn)生較大的層間位移,甚至?xí)^結(jié)構(gòu)的位移限值。該位移限值大小與結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系甚至裝修標(biāo)準(zhǔn)以及側(cè)向荷載等諸多因素有關(guān)。因此在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)建筑物的實際情況以及所處的地理位置進(jìn)行設(shè)計,既要滿足其具有足夠的剛度又要避免結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性及舒適度的要求。

  2.3控制地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。由于地震波在傳播過程中的折射、反射、散射所造成的強(qiáng)震地面運動具有三向水平和三向轉(zhuǎn)動共六個自由度,地震作用本身就存在扭轉(zhuǎn)分量。如果結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則,在水平地震作用下,也會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng),對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用,而這種破壞作用往往被設(shè)計人員所忽視。但是,地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是一個極其復(fù)雜的問題,對于體型復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu),即使樓層的“計算剛心”和質(zhì)心重合,仍然存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在高層住宅建筑設(shè)計時,就充分考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。通過分析,扭轉(zhuǎn)作用下各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間變形不同,造成結(jié)構(gòu)邊緣的抗側(cè)力單元的層間側(cè)移最大,考慮建筑上下剛度的分布不均勻,剛度中心沒有在同一軸線,會產(chǎn)生較大的差距,從而造成各樓層結(jié)構(gòu)偏心距和扭矩發(fā)生改變,因此,在設(shè)計過程中應(yīng)對各層的扭轉(zhuǎn)修正系數(shù)分別計算。計算時應(yīng)主要控制周期比、位移比兩個重要指標(biāo)。設(shè)計中應(yīng)考慮雙向地震作用下,當(dāng)樓層抗扭剛度弱,平動周期與扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9或樓層抗剪承載力比值小于0.8時,屬特別不規(guī)則建筑,應(yīng)考慮偶然偏心。PKPM設(shè)計時兩者同時選上,程序計算時自動疊加取大者。

  3住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計探討

  住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計,指在注意總體布置上的大原則,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時,顧及到關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)構(gòu)造,全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題。需著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng),按照建筑結(jié)構(gòu)在地震時破壞力分布,有針對性進(jìn)行抗震設(shè)計優(yōu)化,從根本上提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

  3.1建筑場地的選擇。選擇有利的建筑場地,為減輕高層建筑物的震害,避開對建筑抗震不利的地段,在選址時,不應(yīng)在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。應(yīng)加強(qiáng)地基勘察,對于不利地段,盡量避開不利地質(zhì)環(huán)境,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)提出避開要求,最好選擇有利地段,當(dāng)無法避開時,應(yīng)采取有效措施。這就考慮了地震因場地條件間接引起結(jié)構(gòu)破壞的原因,如活動斷層、溶洞、局部突出的山包等。

  3.2 建筑的平、立面布置。根據(jù)新的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2010),持力層的選擇對建筑物的安全至關(guān)重要。要求建筑的形狀及抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則的整體性,在相同的地震力作用下,避免采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。選擇基礎(chǔ)方案時,受力性能比較明確,既要考慮經(jīng)濟(jì)合理,設(shè)計時容易分析結(jié)構(gòu)在地震時的實際反應(yīng)和結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,又要考慮抗震的要求,容易采取抗震構(gòu)造措施和進(jìn)行結(jié)構(gòu)的局部處理。

  3.3抗震結(jié)構(gòu)體系。抗震結(jié)構(gòu)體系體型是抗震設(shè)計中應(yīng)考慮的最關(guān)鍵問題,結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有多道抗震防線,應(yīng)根據(jù)建筑類因素,可避免因部分構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力。結(jié)合設(shè)計、經(jīng)濟(jì)條件綜合考慮與確定,應(yīng)優(yōu)先選用不承受重力荷載的構(gòu)件如框架填充墻構(gòu)件。抗震結(jié)構(gòu)體系必須具有合理的地震作用傳遞途徑,不宜用軸壓比很大的鋼筋混凝土框架柱作為第一道防線。多道抗震防線,以減少輸入主體結(jié)構(gòu)的地震能量,必要的強(qiáng)度剛度和強(qiáng)度分布,達(dá)到減輕主體結(jié)構(gòu)破壞的目的。

  高層住宅建筑抗震設(shè)計在選擇建筑結(jié)構(gòu)的方案和采取抗震措施時,使樓層(部位)的實際承載能力和設(shè)計計算的彈性受力的比值在總體上保持一個相對均勻的變化,要防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。有意識、有目的地控制薄弱層(部位),使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移,提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能。

  4結(jié)束語

  隨著新型結(jié)構(gòu)、高性能材料的出現(xiàn),高層住宅建筑設(shè)計技術(shù)也勢必再上新臺階。設(shè)計者需根據(jù)工程抗震各方面的知識和經(jīng)驗,通過新型結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足建筑安全要求,滿足建筑物的使用功能和外觀要求,理順結(jié)構(gòu)與建筑,結(jié)構(gòu)與設(shè)備的關(guān)系。這就需要設(shè)計者從目前抗震設(shè)計現(xiàn)狀出發(fā),作出正確的工程判斷,找出建筑安全與經(jīng)濟(jì)合理的最佳結(jié)合點,以更好地適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)和建筑技術(shù)的發(fā)展。

  參考文獻(xiàn)

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