探讨抗震理念的高层建筑结构设计

　　摘要：随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。高层建筑的应用日益广泛,结构工程师按抗震等要求进行结构分析与设计，工程实践表明在高层结构的设计过程中,设计人员有抗震概念清晰,构造措施得当,应用合适的结构分析软件三者要结合一起才能取得比较理想的结果,在这个过程中抗震构造重于结构计算。在高层建筑结构设计中抗震设计是十分复杂和重要的。本文对建筑抗震进行必要的理论分析,从而探索高层建筑的设计理念、方法,采取必要的抗震措施。
　　关键词：高层建筑；结构设计；抗震设计
　　引言：高层建筑结构设计应符合抗震概念设计的要求，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。既然如此,土与结构物共同工作理论的研究与发展使建筑抗震分析在概念上进一步走向完善,如果可以在结构与地基的材料特性,动力响应,计算理论,稳定标准诸方面得到符合实际的发展,自然会在建筑结构抗震领域内起到重要的作用。
　　1.有关建筑结构抗震概念设计的概述
　　1.1我国结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算，到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则，以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用的原则。事实上，建筑物是一个空间结构，各种构件以相当复杂的方式共同工作，并非是脱离结构体系的单独构件。
　　1.2地震具有随机性、不确定性和复杂性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前是很难做到的。而建筑物本身又是一个庞大复杂的系统，在遭受地震作用后其破坏机理和破坏过程十分复杂。且在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在着不确定性。因此，结构工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决。应立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念，从“概念设计”的角度着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节构造，从根本上提高结构的抗震能力。
　　2高层建筑结构抗震设计
　　2.1抗震措施
　　2.11在对结构的抗震设计中,除要考虑概念设计、结构抗震验算外,历次地震后人们在限制建筑高度,提高结构延性(限制结构类型和结构材料使用)等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前,在抗震设计中,从概念设计,抗震验算及构造措施等三方面入手,在将抗震与消震(结构延性)结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法,直至进一步通过一些结构措施(隔震措施,消能减震措施)来减震,即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济de抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且,强柱弱梁,强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。
　　2.2高层建筑的抗震设计理念
　　2.21我国《建筑抗震规范》(GB50011-2001)对建筑的抗震设防提出“三水准、两阶段”的要求,“三水准”即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。当遭遇第一设防烈度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此,要求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算,要求建筑的弹性变形不超过规定的弹性变形限值。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈度的基本烈度地震时,结构屈服进入非弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此,要求结构具有相当的延性能力(变形能力)不发生不可修复的脆性破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹性变形离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而保障了人员的安全。因此,要求建筑具有足够的变形能力,其弹塑性变形不超过规定de弹塑性变形限值。三个水准烈度的地震作用水平,按三个不同超越概率(或重现期)来区分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重现期50年;设防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重现期475年;罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重现期1641-2475年,平均约为2000年。
　　2.22对建筑抗震的三个水准设防要求,是通过“两阶段”设计来实现的,其方法步骤如下:第一阶段:第一步采用与第一水准烈度相应得地震动参数,先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应,与风、重力荷载效应组合,并引入承载力抗震调整系数,进行构件截面设计,从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的层间位移角,使其不超过抗震规范所规定的限值;同时采用相应的抗震构造措施,保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能,从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段:采用与第三水准相对应的地震动参数,计算出结构(特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角,使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施,从而满足第三水准的防倒塌要求。
　　2.3高层建筑结构的抗震设计方法
　　2.31我国的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定:高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构,以及近似于单质点体系得结构,可采用底部剪力法等简化方法;除1款外的建筑结构,宜采用振型分解反应谱方法;特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算,可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
　　3高层建筑结构设计中的抗震设计
　　3.1高层建筑抗震结构设计的基本原则
　　3.1.1结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能：（1）结构构件应遵守强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱的原则。（2）对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。（3）承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
　　3.1.2尽可能设置多道抗震防线：（1）一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。（2）强烈地震之后往往伴随多次余震，抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。（3）适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力；（4）在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。
　　3.1.3对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力：（1）构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础；（2）要使楼层的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层的比值有突变时，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了整个结构各部位刚度、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，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有效手段。
　　4结束语
　　随着建筑设计的发展，对结构抗震设计提出了一系列的抗震规范,要求设计人员注意抗震概念设计。建筑物的抗震设计也是衡量建筑结构设计的一个重要指标。因此对于不同的建筑、不同的设计情况，合理并准确的采用抗震设计方法,对建筑结构设计是非常重要。我国是多地震国家，做好建筑抗震设计有极其重要意义，而慨念设计是其最重要的内容，我们要加强沟通来保证建筑符合概念设计的基本思想，以免楼房在地震中倒塌。总的来说，建筑设计是建筑抗震设计的一个重要方面，建筑设计和建筑抗震设计有着密切关系。它对建筑抗震起着重要的基础功能作用。一个优良的建筑抗震设计，必须是在建筑设计和结构设计相互配合协作共同考虑抗震的设计基础上完成。
　　参考文献
　　1赵西安，高层建筑结构抗震设计若干问题，建筑科学，1994年1期
　　2中华人民共和冒国家标准．建筑抗震设计规范GB50011-2001。
　　3朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社,2002.11.
　　4建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S]

《探讨抗震理念的高层建筑结构设计》

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