高层建筑结构抗震优化设计

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摘 要：高层建筑结构设计的要求更高,同时,在抗震设计方面,高层建筑也比普通建筑的设计要更加的严格,这样才能够保证高层建筑抗震的性能.本文将从以下几个方面来分析如何进行高层建筑结构抗震优化设计.

关 键 词：高层建筑；结构；抗震；优化设计

一、前言

目前,我国高层建筑抗震性能还有待于提高,在地震中,高层建筑遭到的破坏远远超过了设计允许的范围.所以,研究如何进行高层建筑结构抗震优化设计很有必要.

二、高层建筑抗震设计的必要性

在历年的地震灾害中,结构工程师逐渐认识到工程结构中宏观的“概念设计”比“数值设计”的抗震更为重要,所以对“概念设计”越来越重视.建筑建筑结构概念设计的定义就是在结构的宏观整体的基础上,根据结构系统及结构整体的要求,正确处理结构总体方案、细部构造及材料使用等,进而达到对建筑的合理结构设计.对在结构中遇到的结构体系、构件延性、刚度分布等问题,从宏观的角度上对其进行鉴别、选择等处理,通过适当的计算及构造来消除高层建筑抗震设计中的薄弱环节.工程师在进行概念设计时要充分运用其思维和判断力,确定结构设计中的基本问题.因此,在进行抗震设计时,工程师要充分理解结构抗震的特点,分析振动中结构受力特性,抓住关键问题,用正确的思维才能得到科学合理的结构设计.

三、影响高层建筑结构抗震能力的主要因素

抗震能力主要是指整体建筑结构抵御地震作用的能力,其由建筑结构的变形能力和承载力共同决定.高层建筑结构抗震能力的强弱直接决定着该建筑面临倒塌的风险程度.一般来讲,影响高层建筑结构抗震能力的主要因素包括：第一,结构总体布置.在对高层建筑进行结构设计之时,需要注意结构体形要简单、结构要对称、强度和刚度要连续均匀变化；第二,结构选型.首先,超静定次数要多,这样可以消耗地震的输入能量,提高抗震可靠度.其次,要根据建筑施工地的地质特征选择合适的结构类型.第三,结构整体性.不仅需要增强房屋的竖向刚度,更需要构件间的可靠连接,保证建筑基础具有较强的整体性,适应地震时大变形的延性要求；第四,材料选用.地震对结构作用的大小几乎与结构质量成正比,而建筑材料决定了结构质量；第五,刚度、延性以及强度的比例.刚度、延性以及强度比例要相匹配才能提高建筑抗震能力；第六,建筑场地.要选择有利的场地进行建筑施工,避开不利场地.第七,施工质量.施工过程中极有可能会造成材料性能、截面几何特征在一定范围内发生变动,这对建筑结构的实际抗震能力有很大的影响.

四、我国高层建筑抗震设计中的一些问题

1.高度问题

按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）规定,在一定设防烈度和一定结构型式下,钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度.这个高度在我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下是较为稳妥的,也是与目前整个土建规范体系相协调的.可实际上,已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制.对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度.因为房屋愈高,所受到的地震力和倾覆力矩就愈大,破坏的可能性也就愈大,同时巨大的倾覆力矩在柱中和基础中所引起的压力和拉力均较难处理.

2.材料的选用和结构体系问题

在地震多发区,采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视.我国150m以上的建筑,采用的三种主要结构体系（框-筒、筒中筒和框架-支撑体系）,都是其他国家高层建筑采用的主要体系.在高层建筑中,应注意结构体系及材料的优选.现在我国钢材生产数量已较大,建筑钢材的类型及品种也在逐步增多,钢结构的加工制造能力已有了很大提高,因此在有条件的地方,建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构,以减小柱断面尺寸,并改善结构的抗震性能.在超过一定高度后,由于钢结构质量较小而且较柔,为减小风振需要采用混凝土材料,钢骨（钢管）混凝土,通常作为首选.

3.抗震设防标准较低

现在许多专家学者提出,现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要,认为我国“取用了可能是世界上最低的结构设计安全度”,并主张“建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高”.此外,对于“小震不坏,中震可修,大震不倒”这个抗震设计原则,在新形势下也有重新审核的必要.我国现行抗震设防标准是比较低的,中震相当于在规定的设计基准期内（50a）超越概率为10%的地震烈度.我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外,具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外,在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格.随着社会财富的增长,结构失效带来的损失愈来愈大,加之结构造价在整个投资中的比例下降,抗震性能化设计日渐成为重要的设计手段.

五、提高高层建筑结构抗震能力的具体策略

随着生活水平的提高,人们对高层建筑物的质量提出了更高的要求,高层建筑物不仅要满足人们正常生活的需求,还要具有较好的抗震能力,在高层建筑施工中需要重视提高高层建筑结构的抗震能力.高层建筑结构的抗震优化设计是大量实践经验的总结,对今后提高高层建筑结构的抗震能力具有十分重要的指导作用.为了提高高层建筑结构抗震能力,结合高层建筑的实际情况,笔者认为应该采取以下具体策略.

1.合理布局地震外力能量的传递吸收途径

这是提高高层建筑结构抗震能力的第一步.通过这样的布局,当地震发生的时候,支柱、墙、梁受到相应的破坏,并且它们的破坏是呈弯剪破坏的.同时,连梁出现变化,在梁端呈现出塑性屈服的状态,不过,在这种状态下,连梁还具备较大的变形能力.在这样的布局之下,如果发生地震的话,墙段在充分发挥其良好的抗震作用之前,根据强墙弱梁的原则,它能够使得墙肢的承载力得到相应的加强,从而引起墙肢的剪切应力遭到相应的破坏,避免遭到地震带来的损失,提高了整个高层建筑结构的抗震能力.

2.在实际工作中,对梁、柱以及墙的节点采取必要的措施,以提高整个建筑物的抗震能力

这种措施的出发点是：提高梁、柱以及墙的抗震能力,优化它们的抗震性能,当发生地震的时候,这些结构能够很好的发挥抗震性能,保证结构的稳定性,进而避免整个高层建筑免受地震的破坏.此外,高层建筑常常使用钢筋结构,因此,提高钢筋结构的抗震性能,能够显著提高整个建筑物的抗震性能.提高钢筋结构抗震性能的关键是提高其结构的延性和承载力,具体的措施可以是,在设计的时候,根据强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱构件的原则进行,采取行之有效的措施,合理控制柱截面的尺寸,合理控制柱的轴压比,加强节点的构造,保证节点的质量,避免出现质量问题,以提高节点的牢固性和抗震能力,进而提高整个高层建筑结构的抗震性能.

3.设置多道抗震防线

该方法的基本出发点是：当发生地震的时候,延性较好的构件的首先达到屈服,发挥抗震的作用,同时其他的构件也发挥着抗震作用,只不过还没有得到屈服,不会受到巨大的影响.事实上,只有第一道抗震防线屈服之后,其他防线才可能屈服.所以,为了提高建筑物的抗震性能,在设计的时候,可以设置多道防线,设置一道、二道、三道防线,如果条件允许,还可以设置更多道防线,这样有利于提高整个高层建筑的抗震能力.

六、结束语

总而言之,在高层建筑结构的抗震结构设计中,首先,要考虑到高层建筑抗震设计的必要性,然后,分析高层建筑抗震结构设计存在的问题,最后,采取合理有效的措施来优化高层建筑抗震结构设计.