【摘要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的超高層建筑設(shè)計(jì)不斷完善，其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)由于具有良好的剛度、延性及較強(qiáng)的整體性，發(fā)展成為主要的結(jié)構(gòu)形式。然而，由于我國(guó)處于地震帶，對(duì)鋼筋混凝土超高層框架結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能提出了要求，本文從當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題入手，簡(jiǎn)要概述抗震概念設(shè)計(jì)遵循的基本原則，并對(duì)超高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行逐一分析總結(jié)，希望對(duì)鋼筋混凝土超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究有一定的借鑒作用。
【關(guān)鍵詞】超高層建筑；鋼筋混凝土；抗震設(shè)計(jì)
前言
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的建筑業(yè)得到迅猛發(fā)展，超高層、超高層建筑越來(lái)越多，建筑結(jié)構(gòu)造型和功能也越來(lái)越美觀與先進(jìn)，許多建筑采用底部大裙房、上部多座塔樓的建筑形式。然而這些復(fù)雜的建筑形式的出現(xiàn)也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，其中最重要的就是其結(jié)構(gòu)造型給抗震分析以及抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多新的問(wèn)題。國(guó)外對(duì)鋼筋混凝土超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有了較為成熟的研究，也有許多建筑案例（如圖1）。國(guó)內(nèi)雖然經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究分析，也已經(jīng)出現(xiàn)包括分析軟件TBSA和TAT等在內(nèi)的超高層建筑設(shè)計(jì)分析軟件，這些軟件能夠幫助建筑設(shè)計(jì)師或工作人員對(duì)建筑的抗震性能進(jìn)行一定的研究，但設(shè)計(jì)中還經(jīng)常會(huì)遇到許多程序、規(guī)范不能解決的問(wèn)題，存在一定的局限性。這就需要結(jié)構(gòu)工程師依據(jù)概念設(shè)計(jì)把復(fù)雜的問(wèn)題通過(guò)科學(xué)分析簡(jiǎn)化。以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，同時(shí)也為結(jié)構(gòu)工程師提供更多關(guān)于抗震設(shè)計(jì)的有參考價(jià)值的設(shè)計(jì)依據(jù)。
1超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1.1平面規(guī)則性超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)
平面規(guī)則性超高層建筑具有以下的特征：樓板的形狀不規(guī)則且凹凸不平，樓板之間沒(méi)有較強(qiáng)的聯(lián)系、樓板的局部之間斷斷續(xù)續(xù)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯等。針對(duì)上述特點(diǎn)，這類的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：（1）如果樓板的形狀凹凸不規(guī)則或樓板局部斷斷續(xù)續(xù)，則可以采用彈性樓蓋模型，使其符合樓板平面內(nèi)的實(shí)際剛度變化，或者按照分塊剛性樓板與局部彈性板的原則進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)然，扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)效應(yīng)也需要考慮進(jìn)去。（2）對(duì)于樓板中應(yīng)力集中部位以及連接較弱的樓板，可以適當(dāng)加大樓板的厚度，具體的方法有雙層雙向配筋、配置45°斜向鋼筋、配置集中配筋的邊梁。（3）如果樓板之間沒(méi)有較強(qiáng)的聯(lián)系或者平面過(guò)于不規(guī)則，或建筑物過(guò)長(zhǎng)，則可以通過(guò)調(diào)整變形縫來(lái)把其結(jié)構(gòu)切成若干個(gè)子結(jié)構(gòu)。如果一些超限高層的建筑物有明顯的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，則應(yīng)該盡量保證抗側(cè)力構(gòu)件在平面布置中的對(duì)稱性，同時(shí)應(yīng)該盡量加大外圍豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度和強(qiáng)度。
1.2豎向規(guī)則性超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)
豎向規(guī)則性超高層建筑具有以下的特征：在立體上建筑呈現(xiàn)收進(jìn)的狀態(tài)，其主要存在形式為連體建筑，建筑內(nèi)部轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，大底盤多搭樓等，針對(duì)上述特點(diǎn)，這類的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：（1）當(dāng)超高層建筑的立面收進(jìn)超過(guò)一定限度時(shí)，應(yīng)該保證結(jié)構(gòu)的層受剪承載力大于相鄰上一樓層的80%，并且合理控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)收進(jìn)部位、豎向構(gòu)件以及建筑內(nèi)部的樓板。一旦立面收進(jìn)產(chǎn)生偏差，建筑底部的結(jié)構(gòu)就會(huì)因?yàn)榕まD(zhuǎn)而產(chǎn)生較大內(nèi)力，這就要求建筑底部結(jié)構(gòu)的周邊構(gòu)件的配筋強(qiáng)度足夠大。通常情況下，建筑設(shè)計(jì)師會(huì)采用臺(tái)階形多次內(nèi)收的立面來(lái)改善這一困難。（2）對(duì)于連體建筑來(lái)說(shuō)，其周邊以及連接部位應(yīng)該按照彈性板來(lái)計(jì)算，連接體與主體宜采用弱連接，并盡可能減少其重量，同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以優(yōu)先考慮。連接體及與主體相鄰的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)應(yīng)盡量提高其等級(jí)。（3）對(duì)于帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的超高層建筑，應(yīng)該盡量保持其上下主體的豎向結(jié)構(gòu)連續(xù)貫通，并對(duì)其下部主體結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行加強(qiáng)，而對(duì)其上部主體結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行弱化，通過(guò)相應(yīng)的措施來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)換層上下的等效剛度比進(jìn)行合理的控制，同時(shí)，為了提高框支層的抗震能力與延展性，應(yīng)該將框支柱承擔(dān)地震剪力的比例進(jìn)行增大。而為了減少轉(zhuǎn)換層上下的等效剛度比，可以將上部各層剛度適當(dāng)減小。一般來(lái)說(shuō)，高振型影響與轉(zhuǎn)換層的高度呈正比關(guān)系，即轉(zhuǎn)換層越高，高振型影響越大，轉(zhuǎn)換層上下層間位移角及內(nèi)力突變也越明顯，因此，需要合理控制轉(zhuǎn)換層的高度。（4）在設(shè)計(jì)大底盤多塔樓的時(shí)候，應(yīng)該盡量提高其底盤的承載力，其目的是防止結(jié)構(gòu)在底部首先屈服。對(duì)于連接各塔樓的裙房屋面來(lái)說(shuō)，要適當(dāng)加大其剛度，其目的是使底部的裙房與上部的塔樓共同振動(dòng)。然而，當(dāng)?shù)撞考訌?qiáng)時(shí)，薄弱層會(huì)發(fā)生上移，從而增大上部結(jié)構(gòu)的位移，因此底盤承載力的的提高需要掌握好其度。在設(shè)計(jì)塔樓的薄弱部位的時(shí)候，應(yīng)該全高加密該層柱箍筋，并增大箍筋的直徑與剪力墻的水平鋼筋。
2超高層混凝土建筑抗震影響因素
2．1建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)
在對(duì)超高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證混凝土整體位移一致，同時(shí)得到最小和最大的位移結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)該對(duì)建筑物垂直向力及橫向力進(jìn)行防護(hù)，提高扭轉(zhuǎn)力作用。因?yàn)榈卣鸬陌l(fā)生具有突發(fā)性和隨機(jī)性，所以對(duì)地震發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度難以預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，因此在分析建筑整體的抗震性能同時(shí)，要及時(shí)檢查出建筑物內(nèi)部的抗震隱患，科學(xué)分析，及時(shí)糾正，保證超高層混凝土建筑的抗震性能。
2．2建筑物建設(shè)位置
合理選定超高層混凝土建筑的建設(shè)位置是極其重要的，因?yàn)槲覈?guó)地處地震頻發(fā)地帶，所以在選址之前，要合理科學(xué)對(duì)建筑項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況進(jìn)行徹底的綜合性分析，減少超高層混凝土建筑遭受地震的危害的幾率，同時(shí)良好的建筑土質(zhì)也能提高超高層混凝土建筑具有較強(qiáng)的抗震性能。所以為避免建筑位置為松軟土質(zhì)，也應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離電廠、變電所等工廠。
2.3抗震加固環(huán)節(jié)
超高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)建筑物進(jìn)行抗震加固是非常有必要的，因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)可以滿足建筑延伸性及剛度的要求。在實(shí)際的建筑施工過(guò)程中，由于超高層建筑物的鋼筋混凝土重量大，所以底部柱軸力應(yīng)該與建筑的高度呈正比關(guān)系，只有這樣建筑主要構(gòu)件才能有很好延伸性，在遇到強(qiáng)震時(shí)可以減少剪切性對(duì)墻體的破壞，這體現(xiàn)了對(duì)超高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)的重要性。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑設(shè)計(jì)師會(huì)以強(qiáng)柱弱梁限值為依據(jù)，綜合考慮框架柱的強(qiáng)剪弱彎和剪壓比，才能使設(shè)計(jì)的柱子頂端的抗彎能力達(dá)到合格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，螺旋復(fù)合箍筋的使用可以提高柱子的抗沖剪能力和短柱抗震性能，在地震強(qiáng)度不是很強(qiáng)時(shí)，保證短柱不對(duì)地震剪切力破壞。因?yàn)榻ㄖ亩讨邆涞目辜粜阅芰Φ陀诳箯澞芰�，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中要保障短柱承受抗彎的屈服強(qiáng)度。
3隔振、減振在超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
隔振、減振是在超高層建筑工程上防止振動(dòng)危害的主要手段。其中減振可分為主動(dòng)減振和被動(dòng)減振。在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，相關(guān)設(shè)計(jì)工作人員會(huì)根據(jù)隔振、減振的原理，采用以下幾種辦法實(shí)現(xiàn)超高層建筑結(jié)構(gòu)的有效抗震。
3.1粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)
通過(guò)大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析表明，粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)可以有效的將超高層建筑的地震反應(yīng)減小40～80％，這在很大程度上可以保證建筑主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)震中的安全性，是高層結(jié)構(gòu)的舒適度控制在科學(xué)合理的范圍之內(nèi)。粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)見圖2。
3.2吸能減震
吸震減震是隔振減振在超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的又一方法，這種方法的最大特點(diǎn)是，使建筑結(jié)構(gòu)的震動(dòng)在合理的范圍內(nèi)，發(fā)生一定的位移，從物理學(xué)角度來(lái)講，就是使建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量在原結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間重新分配，以此達(dá)到減小結(jié)構(gòu)震動(dòng)的效果。當(dāng)前，有許多吸震減震的裝置運(yùn)用于超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，調(diào)液（柱）阻尼器、懸吊質(zhì)量擺阻尼器記憶質(zhì)量放大器等。
3.3金屬阻尼器
金屬阻尼器能夠起到抗震效果，主要是通過(guò)在框架中加屈曲約束支撐，在合理的荷載力下，對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)支撐的作用，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，金屬支撐能以自身的塑性變形來(lái)消耗地震的能量，從而對(duì)超高層建筑主體結(jié)構(gòu)起到良好的作用。
4總結(jié)
在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，人們的居住水平不斷提高，超高層建筑越來(lái)越多，而在對(duì)超高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。要以科學(xué)合理的方式增強(qiáng)建筑的抗震能力，切實(shí)保障公民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。本文從我國(guó)目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題與現(xiàn)狀入手，簡(jiǎn)要概述超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并重點(diǎn)對(duì)隔振、減振在超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，希望對(duì)鋼筋混凝土超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究有一定的借鑒作用。
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