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高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計淺探

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計淺探范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計淺探

[摘要]隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能要求普遍進(jìn)入人們的視野。高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中,結(jié)構(gòu)剛度值的控制至關(guān)重要。同時,因地制宜地優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計,建立構(gòu)件受力模型,建立“框-剪力”結(jié)構(gòu),都有助于提升高層混凝土建筑的抗震效果。

[關(guān)鍵詞]高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計

引言

經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展帶來了我國建筑結(jié)構(gòu)的不斷升級,人們對高層混凝土建筑抗震性的需求越來越大,如何進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為了擺在領(lǐng)域從業(yè)者面前的重難點問題。本文對有關(guān)問題進(jìn)行了分析,將地震結(jié)構(gòu)設(shè)計與具體實踐相結(jié)合,從而為相應(yīng)問題的解決提供了一定建議。

1高層混凝土建筑在地震作用下的破壞特點

地震對高層混凝土建筑的破壞可分為四大方向,地基破壞、結(jié)構(gòu)體系破壞、剛度破壞、構(gòu)件破壞。若建筑整體處于柔弱土層上,則易發(fā)生地基破壞,這是由于地震中土體液化會導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降的發(fā)生,這會致使高層混凝土建筑上部出現(xiàn)傾斜、地基發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象,同時使建筑物產(chǎn)生裂縫。而結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)周期與場地周期相一致時更會發(fā)生共振效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞狀況發(fā)生。若地震中的建筑是框架填墻類結(jié)構(gòu),則地震發(fā)生時,框架的內(nèi)框架柱上部會有剪切型破壞發(fā)生。而由于窗下墻的存在,窗洞部分會發(fā)生短柱型破壞。當(dāng)高層建筑以矩形平面式作為主體結(jié)構(gòu)時,一旦建筑中電梯井等結(jié)構(gòu)發(fā)生偏心,地震帶來的扭轉(zhuǎn)震動作用會使得地震破壞力度大為增加。除此之外,L形及三角形的不對稱式平面形式在地震中易發(fā)生比矩形更大的扭轉(zhuǎn)震動式震害。而在應(yīng)用框架剪力墻的建筑結(jié)構(gòu)中,房柱會比房板和墻面的破壞更為嚴(yán)重。由于框架柱中螺旋箍筋的設(shè)置,使框架間具有更大的層間位移角,進(jìn)而使得框架柱對地震的抵御能力更強。

2高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點

高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中,需充分控制結(jié)構(gòu)剛度值的大小。做到對建筑建設(shè)區(qū)域地形地質(zhì)狀況、建筑基本建材性能、主要設(shè)備運行參數(shù)、應(yīng)用力學(xué)體系等基本情況的了解,從而確定建筑整體剛度及主要結(jié)構(gòu)設(shè)施的建設(shè)剛度。進(jìn)而依托連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)解,以確??拐鹉芰Φ某浞痔?,使建筑整體受力大小保持在地質(zhì)支撐所能承載的范圍內(nèi),即抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想是允許建筑結(jié)構(gòu)在地震中有小范圍的偏轉(zhuǎn),并經(jīng)過連接結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)使得建筑性能仍在可接受的運行范圍內(nèi)??拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計展開過程中,設(shè)計人員應(yīng)對建筑主體結(jié)構(gòu)之外各關(guān)鍵部位及受力連接點的受力參數(shù)進(jìn)行精確計算,并依照計算結(jié)果與實際情況相比對,從而進(jìn)一步開展建筑主輔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。過往經(jīng)驗表明,使用了柔和剛度的混凝土在地震中更易發(fā)生主體結(jié)構(gòu)的變形與損壞。并在余震作用下發(fā)生進(jìn)一步結(jié)構(gòu)損害直至坍塌。故而高層混凝土建筑設(shè)計過程中應(yīng)著重建筑主輔結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化,以確保結(jié)構(gòu)剛度能夠達(dá)到指定要求范圍。同時還應(yīng)強化結(jié)構(gòu)延展性,從而抬升整個高層混凝土建筑的抗震性能。

3高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求分析

在實際進(jìn)行高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中,需要按照一定的設(shè)計要求,進(jìn)而有效確保設(shè)計的全面性和有效性,首先,是建筑的剛性要求,在設(shè)計的過程中,為應(yīng)對高層建筑在震動中出現(xiàn)基本架構(gòu)特點,所以在設(shè)計時,應(yīng)該具備動態(tài)維修與檢修的能力,確保建筑的整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變,從而實現(xiàn)高層建筑提升抗震性的效果。其次,是在建筑受力情況的要求,在建筑遭受震動時,由于建筑的層數(shù)過高,建筑的結(jié)構(gòu)主體會出現(xiàn)側(cè)傾的情況,并不斷進(jìn)行倒塌和建筑損壞,進(jìn)而使得高層建筑產(chǎn)生嚴(yán)重的破損和不足,因此,在實際進(jìn)行高層建筑高層混凝土建筑抗震設(shè)計的過程中,需要把建筑的組件和交接點的耐受程度作為設(shè)計的重點,從而避免建筑遭受震動的傷害。最后,是建筑的延展性設(shè)計,在實際設(shè)計的過程中,主要是通過重視抗震效果的提升,通過在提升建筑結(jié)構(gòu)剛性和強度的基礎(chǔ)上,設(shè)置有效的措施與合理設(shè)計,進(jìn)而有效提升建筑結(jié)構(gòu)的延伸作用,從而實現(xiàn)高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化與提升。

4高層混凝土抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化實踐

4.1優(yōu)化高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,對抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化在對工程造價產(chǎn)生影響的同時能夠有效強化抗震效果,設(shè)計開展過程需綜合高層混凝土建筑的功能要求、使用指標(biāo),在嚴(yán)格規(guī)范制度的前提下踐行目標(biāo)。優(yōu)化過程中有多種結(jié)構(gòu)類型可供選擇,如剪力墻、框架結(jié)構(gòu)等,在結(jié)構(gòu)類型選擇的實踐過程中需綜合社會效應(yīng)、工程造價的基本要素,融合經(jīng)濟(jì)學(xué)考量、美學(xué)欣賞的設(shè)計要素,選擇與建筑類型及要求相適宜的抗震結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)化工作需從規(guī)劃設(shè)計著手展開,這首先要求混凝土高層建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計得干凈、對稱、整齊,其次應(yīng)在定量分析基礎(chǔ)上對混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能展開體系研究,從而對其整體性能進(jìn)行明確,并通過對結(jié)構(gòu)特征、剪力墻方案、布置方法的確定,實現(xiàn)高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。例如,對抗震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化時,應(yīng)從以下幾方面著手。首先要做到相同結(jié)構(gòu)單元在性質(zhì)一致基礎(chǔ)上的有效布置,這要求在面對新填土、液化土、橡皮土等具有不均勻承載力的土層時,應(yīng)采用一定措施使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性及剛性得到有效提升。如以基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性為例,可以通過鋼筋混凝土圈梁、調(diào)置構(gòu)造柱的方式,不僅可以抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降引起墻體內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力,同時還可以增加房屋結(jié)構(gòu)的整體性,防止因振動產(chǎn)生的不利影響,并且在設(shè)置圈梁時,還需要連續(xù)地設(shè)在同一水平面上,并形成封閉狀,從而提升基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體性。不僅如此,還可以把可用沉降縫在適當(dāng)部位將房屋分成若干剛度較好的單元,把沉降縫的基礎(chǔ)分開,并在房屋四角設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱,并且從柱里抽出水平鋼筋與磚墻拉結(jié),以確保地基能夠有效承載。其次,在設(shè)計過程中,要合理運用底框結(jié)構(gòu),雖然這一結(jié)構(gòu)兼具經(jīng)濟(jì)及實用性,但這一結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻,易出現(xiàn)頭重腳輕等情況。使得地震發(fā)生時建筑整體易發(fā)生不均勻變形,其抗扭性能并不能達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),故而使得房屋裂縫及倒塌的情況更易發(fā)生。因此地震發(fā)生較為頻繁的區(qū)域不宜運用該結(jié)構(gòu),或即便運用也應(yīng)輔以其他結(jié)構(gòu)設(shè)計,以確??蚣芙Y(jié)構(gòu)上下剛度的協(xié)調(diào)均勻。第三,抗震建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑建造的第一步,其完備性、系統(tǒng)性、功能性程度決定著建筑抗震性能的底色。故而設(shè)計過程中設(shè)計人員應(yīng)對高層混凝土建筑的施工情況進(jìn)行全面的勘察和了解,在實際了解的過程中,包括對具體施工工藝、應(yīng)用材料、預(yù)期建設(shè)位置、地質(zhì)地貌等要素進(jìn)行全面了解,并形成調(diào)研報告,以此明確設(shè)計過程中的重要節(jié)點,在提升高層混凝土建筑抗震性的同時,實現(xiàn)主體建筑與客觀環(huán)境的協(xié)調(diào)性和一致性,因地制宜地開展設(shè)計工作。最后,設(shè)計團(tuán)隊?wèi)?yīng)搭建起抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)據(jù)庫,對地震中發(fā)生損害的有關(guān)建筑進(jìn)行損害記錄,并比照其原本結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震損害方式、結(jié)構(gòu)塌陷過程的逆向還原,以此為后續(xù)抗震建筑的設(shè)計提供有益參考與啟發(fā)。在實際構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的過程中,主要是通過三維成像技術(shù),構(gòu)建虛擬的數(shù)據(jù)模型,在滿足全面觀察的同時,還可以結(jié)合演示模式,對建筑在地震中的實際情況進(jìn)行模擬演示,從而有效加強設(shè)計的針對性和有效性。從而盡量實現(xiàn)科學(xué)合理的力學(xué)模型搭建,進(jìn)而對主拉應(yīng)力、剪摩理論實現(xiàn)充分利用,來搭建盡可能合理的抗震結(jié)構(gòu)。

4.2充分了解周邊環(huán)境,因地制宜展開設(shè)計

高層混凝土建筑的設(shè)計建造過程中,應(yīng)將對地震等有關(guān)自然災(zāi)害的預(yù)防囊括在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。故而,對建筑位置的合理選擇,能夠顯著提高相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗震能力。位置的選擇應(yīng)依托于相應(yīng)科學(xué)理論,并在對備選位置周邊地形地貌進(jìn)行廣泛勘探后挑選適合位置后開展工程建設(shè)。這期間應(yīng)注意高層混凝土建筑周邊不應(yīng)出現(xiàn)變電站、發(fā)電廠等安全不穩(wěn)定因素,并盡量將位置選擇在平緩地帶,避開山坡、沼澤等不利于抗震的地點。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的制定應(yīng)在國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系框架內(nèi),而實際施工過程中的結(jié)構(gòu)自身應(yīng)具備一定的空間調(diào)節(jié)能力。以確保外力影響下結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)具備一定的結(jié)構(gòu)延伸能力,具有依托記憶形狀恢復(fù)至先前形狀的能力。這一做法能夠有效增強結(jié)構(gòu)的抗震性能,并以這一延展性方案延長建筑的耐久性。例如,抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中設(shè)計團(tuán)隊?wèi)?yīng)對建筑周邊環(huán)境進(jìn)行實地考察,通過構(gòu)建不同專業(yè)人員組成的實地勘察組,對施工地點以及周邊環(huán)境的地質(zhì)狀況實現(xiàn)有效勘測。以此完善設(shè)計結(jié)構(gòu),對建筑中的關(guān)鍵連接點進(jìn)行附加式穩(wěn)固措施,在材料的選擇過程中應(yīng)兼顧材料的剛性和可延展性,主要是依托實地市場調(diào)研的方式,結(jié)合抽樣檢查等方式,對材料的實際特點與特性進(jìn)行了解,堅持“只選對的,不選貴的”的原則,以實現(xiàn)傳統(tǒng)材料和新型抗震材料的兼顧運用,從而在材料方面提升建筑的抗震性。同時對建筑整體重力是否均勻分布進(jìn)行評估,評估過程需遵循重力均勻?qū)ΨQ的分布原則,利用合理的檢測設(shè)備和檢測技術(shù),對建筑整體重力進(jìn)行全面的評估和了解,從而為后續(xù)設(shè)計提供基礎(chǔ)與前提,有效提升高層建筑的抗震性。在評估結(jié)果參考,針對重力分布不均勻的前提,通過依照地形地質(zhì)特點對建筑的重力分布進(jìn)行實時調(diào)整,從而有效捕捉建筑重力的變化規(guī)律,引導(dǎo)其中的不規(guī)則力,以有效提升建筑整體抗震能力。地震發(fā)生時由于其地質(zhì)表層產(chǎn)生的應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布態(tài)勢,故而作用于地基時這類不規(guī)則力會對地基構(gòu)型產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)撕裂作用。并向上傳導(dǎo)使得建筑整體發(fā)生扭曲變形,進(jìn)而導(dǎo)致建筑坍塌情況的發(fā)生。不僅如此,在實際進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計的過程中,由于地震的突發(fā)性特征,故而建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計開展過程,需參照有關(guān)地震數(shù)據(jù)體系,并依托勘測而來的建筑地底基質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力模擬分析,然后對后續(xù)可能發(fā)生的扭轉(zhuǎn)拉扯情況進(jìn)行計算評估,以此確認(rèn)房屋結(jié)構(gòu)中各主要連接部位位移標(biāo)準(zhǔn)的范圍,實現(xiàn)最大最小位移剛度的檢測確認(rèn),從而有效保證地震發(fā)生過程中,房屋位移的一致性。而且,在實際進(jìn)行建筑設(shè)計的過程中,設(shè)計團(tuán)隊?wèi)?yīng)進(jìn)一步對高層混凝土建筑實現(xiàn)位移范疇的整體擬合調(diào)試,以對地震中可能發(fā)生的情況進(jìn)行預(yù)估,從而及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

4.3建立構(gòu)件受力模型,建立“框—剪力”結(jié)構(gòu)

在對抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時,需要建立各構(gòu)件的受力模型。以此確認(rèn)結(jié)構(gòu)不同部位的不同受力情況,并依托受力模型進(jìn)行常見地震情況下建筑的應(yīng)力方向、大小分析。以此為基礎(chǔ)采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)性補充措施,以增強地震發(fā)生時建筑抗震性能的穩(wěn)定性。這期間應(yīng)尤其注重豎向結(jié)構(gòu)上建筑的重力分布,以確保結(jié)構(gòu)縱向上各組分受力均勻、結(jié)構(gòu)受力合理且在適中范圍內(nèi)、各受力結(jié)構(gòu)間未發(fā)生交錯,應(yīng)確保各受力組分間層次分明,各司其位。在此基礎(chǔ)上對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化補充,對補充結(jié)構(gòu)做出對應(yīng)的美學(xué)設(shè)計,以確保建筑抗震性能與美學(xué)特征的雙重提升。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中主體結(jié)構(gòu)下包含多個延性分體系,各延性分體系間應(yīng)進(jìn)行有效的協(xié)同連接。例如,可建立“框-剪力”結(jié)構(gòu),以此形成多肢剪力墻結(jié)構(gòu)分系。因為高烈度地震后往往有余震的發(fā)生,故而單一抗震防線的建立并不能有效應(yīng)對余震。因此設(shè)計人員應(yīng)模擬地震發(fā)生情況,在同一平面主體構(gòu)建達(dá)到屈服程度后,確保其余抗側(cè)力部件仍能處在彈性延展過程,以此實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)有效屈服能力的躍升。由于鋼筋混凝土自身自重較大,故而底層柱軸力相較于建筑高度成反比態(tài)勢,在設(shè)定固定層高前提下,整軸壓比的抬升是提升固件延性的主要措施,但軸壓比不能過大,不然會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)短柱的形成。結(jié)構(gòu)短柱延性極差,極易導(dǎo)致在地震中發(fā)生剪切破壞,進(jìn)而使得建筑整體坍塌。以實踐過程中結(jié)構(gòu)短柱的加固為例,設(shè)計團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)短柱已經(jīng)發(fā)生的情況下對其進(jìn)行加固,有兩個主要的加固設(shè)計方向。首先是對螺旋復(fù)合箍筋的使用,由于建筑框架柱的抗剪能力應(yīng)符合強剪弱彎及剪壓比指標(biāo),而短柱結(jié)構(gòu)對這一標(biāo)準(zhǔn)并不適用。這時應(yīng)加入螺旋復(fù)合箍筋,以此提升框架柱抗沖剪能力,對混凝土約束實現(xiàn)優(yōu)化,使得短柱抗震能力得到提高。除此之外,還可選用分體柱形式,即將支柱循其豎向進(jìn)行設(shè)縫,將整體短柱化為若干分體柱,并通過分體柱配筋在柱肢間安裝隔板、摩擦阻尼器等連接件提高柱子的延性及整體抗變形能力。使得地震發(fā)生時短柱的破壞方式由應(yīng)力剪切向整體彎曲轉(zhuǎn)換,從而使得短柱功能向長柱轉(zhuǎn)變,以此實現(xiàn)抗震能力的提升。并且,在實際使用構(gòu)件的過程中,需要針對構(gòu)件加固與參數(shù)的設(shè)置,在實際設(shè)計時,要從現(xiàn)實出發(fā),充分選用減震性較強進(jìn)行替代,有效避免構(gòu)件中存在缺陷和誤差。在實際設(shè)置時,可以基于抗震性的特點,通過增加組件、擴大橫切面積的方式,從而對建筑構(gòu)件進(jìn)行加固,有效提升建筑的抗震性能。不僅如此,在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計的過程中,應(yīng)該注重構(gòu)件的參數(shù)設(shè)置,在實際設(shè)置的過程中,要對震動周期、扭轉(zhuǎn)角度、剛度比例等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計與計算,從而有效提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性。

5結(jié)語

綜述而論,我國建筑抗震結(jié)構(gòu)整體設(shè)計尚處在開拓期,近些年來的工程實踐已積累一定經(jīng)驗,但理論分析的整體仍需逐步擴衍,這需要全體設(shè)計人員的集體探索,從而實現(xiàn)抗震建筑材料、構(gòu)型、理論方面的全面提升,以有效解決地震中建筑發(fā)生的相應(yīng)問題,助力社會民生的更好發(fā)展。

作者:翟厚智 單位:安徽寰宇建筑設(shè)計院

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