【摘要】：隨著社會的發(fā)展，高層建筑得到廣泛應(yīng)用。而高層建筑中地震荷載和風(fēng)荷載在設(shè)計過程中占主導(dǎo)和控制地位，我國又是地震多發(fā)國家，因此高層建筑的抗震設(shè)計分析顯得尤為重要。本文介紹了高層建筑的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計特點，分析了各種結(jié)構(gòu)形式的抗震效果，以期對相關(guān)人員在房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有所幫助。
　　【關(guān)鍵詞】：高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計，抗震措施
　　地震災(zāi)害是人類面臨的嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。強(qiáng)烈地震常造成人身和財產(chǎn)巨大損失，如何能夠使房屋設(shè)計在地震災(zāi)害中經(jīng)受住考驗，保證人民財產(chǎn)的安全，越來越成為我們每個結(jié)構(gòu)設(shè)計人員注意的問題。隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)和城市化進(jìn)程的不斷向前推進(jìn)，建設(shè)用地日趨緊張，促使建筑功能越來越多樣化，高層建筑得的發(fā)展是大勢所趨。高層建筑的特點是高度比較高，所以地震荷載和風(fēng)荷載在設(shè)計過程中占主導(dǎo)和控制地位，而我國又是地震多發(fā)國家，因此高層建筑的抗震設(shè)計分析顯得尤為重要。
　　一、場地和地基的勘查
　　工程施工前，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對抗震有利、不利和危險地段作出綜合評價。對不利地段，應(yīng)提出避開要求，當(dāng)無法避開時應(yīng)采取有效措施；選擇地基時，一般而言，巖石、半巖石和密實的地基土對房屋抗震最有利，是最好的建筑場地；而松軟的，軟弱粘性土等，尤其是易發(fā)生砂土液化的地區(qū)，都對房屋的抗震不利。同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上；同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基不采用樁基。
　　二、建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算分析
　　參數(shù)設(shè)計是進(jìn)行地震作用和房屋各構(gòu)件的地震響應(yīng)計算，包括各墻柱梁板承載力和變形計算。開始計算前，應(yīng)根據(jù)高層結(jié)構(gòu)的實際工作狀況，建立正確的計算模型，根據(jù)概念設(shè)計做必要的簡化計算與處理。計算軟件技術(shù)條件的輸入應(yīng)符合規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并應(yīng)根據(jù)具體工程注意需要特殊處理的內(nèi)容。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時，應(yīng)采用不少于兩個不同的力學(xué)模型，目前主要有兩種計算理論：剪摩理論和主拉應(yīng)力理論，它們有各自的適用范圍：磚砌體一般采用主拉應(yīng)力理論，而砌塊結(jié)構(gòu)可采用剪摩理論。對計算機(jī)的計算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計。結(jié)構(gòu)計算控制的主要計算結(jié)果有結(jié)構(gòu)的自振周期、位移、平動及扭轉(zhuǎn)系數(shù)、層間剛度比、剪重比、有效質(zhì)量系數(shù)等。另外，地下室水平位移嵌固位置，轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作為依據(jù)。復(fù)雜高層建筑抗震計算時，宜考慮平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不應(yīng)小于15，對多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小手塔樓數(shù)的9倍，且計算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90％�？傊�，高層結(jié)構(gòu)計算很難一次完成，應(yīng)根據(jù)試算結(jié)果，按上述要求多次調(diào)整，才能得到較為合理的計算結(jié)果，以保證建筑物的安全。
　　三、高層建筑結(jié)構(gòu)分析及計算方法
　　1、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)
　　框架－剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。
　　框架－剪力墻的機(jī)算方法，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。
　　2、剪力墻結(jié)構(gòu)
　　剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，計算內(nèi)力與位移時需采用相應(yīng)的計算方法。
　　剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，機(jī)時耗費較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。
　　3、筒體結(jié)構(gòu)
　　筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。
　　等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應(yīng)用有連續(xù)化微分方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。
　　等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結(jié)構(gòu)法等。具體應(yīng)用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子結(jié)構(gòu)法。
　　比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按三維空間結(jié)構(gòu)來分析筒體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿－薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結(jié)構(gòu)體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)。空間梁柱每端節(jié)點有6個自由度。核心筒或剪力墻的墻肢采用符拉索夫薄壁桿件理論分析，每端節(jié)點有7個自由度，比空間桿增加一個翹曲自由度，對應(yīng)的內(nèi)力是雙彎矩。三維空間分析精度較高，但它的未知量較多，計算量較大，在不引入其它假定時，每一樓層的總自由度數(shù)為6Nc+7Nw（Nc、Nw為柱及墻肢數(shù)目）。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層總自由度數(shù)降為3（Nc+Nw）＋4，這是目前工程上采用最多的計算模型。
　　四、結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震措施
　　1、框架結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施
　　框架結(jié)構(gòu)的抗震能力相對來說比較弱，但通過一些抗震措施也可以得到些許提高。對框架結(jié)構(gòu)的梁來說要符合以下幾點要求：1截面寬度不宜小于200mm；2截面高寬比不宜大于4；3凈跨與界面高度之比不宜小于4。對框架結(jié)構(gòu)的柱子來說主要是柱內(nèi)縱向鋼筋配置，具體措施如下：1柱要對稱布置；2截面尺寸大于400mm的柱，縱向鋼筋間距不宜大于200mm；3柱總配筋率不大于5%；4一級且剪跨比不大于2的柱，每側(cè)縱向鋼筋配筋率不大于1.2%；5柱縱向鋼筋的綁扎接頭應(yīng)避開柱端的箍筋加密區(qū)。
　　2、剪力墻結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施
　　剪力墻結(jié)構(gòu)中起抗震作用的主要是剪力墻，剪力墻的厚度，一、二級不應(yīng)小于160mm且不小于層高的1/20，三、四級不小于140mm且不小于層高的1/25。底部加強(qiáng)部位的墻厚，一、二級不小于200mm且不小于層高的1/16；無端柱或翼墻時不應(yīng)小于層高的1/12。剪力墻厚度大于140mm時，豎向和橫向分布鋼筋應(yīng)雙排布置；雙排分布鋼筋間拉筋的間距不大于600mm，直徑不小于6mm；在底部加強(qiáng)部位，邊緣構(gòu)件以外的拉筋間距應(yīng)適當(dāng)加密。
　　3、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施
　　該結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻的厚度不小于160mm且不小于層高的1/20，底部加強(qiáng)部位的剪力墻厚度不小于200mm且不小于層高的1/16，剪力墻周圍設(shè)置梁和端柱組成的邊框。對剪力墻中的豎向和橫向鋼筋來說，配筋率不小于0.25%，并雙排布置，拉筋間距不大于600mm，直徑不小于6mm。
　　4、筒體結(jié)構(gòu)抗震措施
　　對框架-核心筒結(jié)構(gòu)來說，核心筒與框架之間的樓蓋宜采用梁板體系。高于9度設(shè)防時才采用加強(qiáng)層，當(dāng)對結(jié)構(gòu)整體分析時要顧及加強(qiáng)層變形的影響。加強(qiáng)層的大梁或桁架應(yīng)與核心筒內(nèi)的墻肢貫通；大梁或桁架與周邊框架柱的連接宜采用鉸接或半剛接。
　　五、結(jié)論
　　地震是一種目前難以準(zhǔn)確預(yù)測的自然災(zāi)害，為避免它給人類帶來大的災(zāi)難，作為工程技術(shù)設(shè)計人員在建筑結(jié)構(gòu)的研究和工程設(shè)計中，應(yīng)從整體宏觀的觀點出發(fā)，綜合處理好建筑功能、技術(shù)、藝術(shù)、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理等幾方面內(nèi)容，從而創(chuàng)造出更加安全、適用、經(jīng)濟(jì)美觀的高層建筑。
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