高层建筑结构设计中抗震概念设计的应用

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  【摘 要】 抗震概念设计是高层建筑结构设计中的重要组成部分,通过合理的抗震概念设计,能够有效的提高高层建筑的抗震可靠性。因此相关设计人员应该熟练的掌握和运用抗震概念设计,全面的考虑各项因素从而为社会建造出更多精品高层建筑工程。本文结合关于高层建筑结构抗震内容的具体概述、高层建筑结构设计中抗震概念设计的意义与高层建筑结构设计中抗震概念设计的原则,对抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用进行了分析,以供参考。
  【关键词】 高层建筑结构设计;抗震概念设计;概述;意义;原则;应用
  一、关于高层建筑结构抗震内容的具体概述
  在我国现行的抗震规范中,要求利用反应谱理论在多遇地震作用下对高层建筑的抗震进行计算,针对建筑结构的内力及位移采用弹性方法进行计算,同时在建筑结构的设计过程中采用极限状态的方法来进行。面对重要或是有特殊要求建筑的计算,需要在上述计算的基础上再加用时程分析法对其进行补充,并以罕遇地震作用为基础,对其进行的变形验算。与此同时,规范还要求建筑弹塑性变形计算时,采用在罕遇地震作用为基础的弹塑性分析方法。结构弹塑性分析主要由两大类组成,包括弹塑性动力和弹塑性静力分析。前者是利用杆模型和层模型等简化后的结构模型来进行计算。层模型比较适合用于宏观检验,以及对多条地震波作用的计算。然而不管是杆模型还是层模型,地震波都会对利用弹塑性动力分析计算得出的结果产生影响,而且计算得出的答案不止一个,难以判断真假。弹塑性静力分析方法虽有较多局限但仍具备很多优点:能够充分的了解和掌握建筑结构中各构件内力与承载力之间,以及各杆件之间承载力的关系;对与强柱弱梁的符合状态进行检查,及时发现和处理设计中的薄弱位置,同时还可以收获来自不同受力阶段的侧移变形。只有初始楼层水平荷载的分布能对其产生影响,只要结构不变,其分析结果就不会随着地震波的影响而发生改变。
  二、高层建筑结构设计中抗震概念设计的意义
  高层建筑结构设计中应该非常重视抗震概念设计,因为高层建筑结构非常复杂,当发生地震时,具有动力不确定性特点。人们对地震时对结构认识的局限性,再加上材料性能和施工安装的易变性、模拟地震波的模糊性等因素,导致计算结果和实际之间具有很大的差异。简单的依赖数值计算获得结构并不能有效的解决高层建筑的实际抗震问题,尤其是地质特征的差异性原因,导致许多国家甚至是地区指定的抗震规范都有明显的差异。高层建筑結构抗震概念设计在依据数值计算的基础上,还增加了实践经验元素,并且结构概念设计甚至比分析计算更重要,使得这一抗震设计理念能够满足区域差别下从事高层建筑结构设计的实际需求。强调高层建筑结构设计中抗震概念设计的重要性,其目的是为了引起高层建筑构工程是在进行建筑结构设计时,特别重视相应的结构规程以及抗震概念设计中的相关规定,从而摆脱传统的结构设计中只重视计算结果的误区,要求结构工程师严格的按照结构设计计算原则,再结合地区的抗震规范,以此保证高层建筑结构的抗震性能。
  三、高层建筑结构设计中抗震概念设计的原则
  (一)结构的整体性
  在高层建筑结构中,楼盖的整体性对高层建筑结构的整体性起到十分重要的作用,其相当于水平隔板,不仅要求聚集和传递惯性力至各个竖向抗侧力的子结构,还要求这些子结构具有较强的抗震能力,能够抵抗地震作用。尤其是当竖向抗侧力子结构的分布不均匀、结构布置复杂以及抗侧力子结构的水平变形特征存在差异时整个高层建筑就依靠楼盖使抗侧力子结构进行协同工作。
  (二)结构的简单性
  结构的简单性指的是结构在地震作用下具有明确、直接的传力途径。在高层建筑抗震设计规范中明确规定“结构体系应该有明确的计算简图与合理的地震作用传递途径”,只有结构简单,才能对结构的位移、内力以及模型进行分析,准确的分析出高层建筑抗震的薄弱环节然后采取相应的措施.避免薄弱环节的出现。
  (三)结构的刚度
  结构的刚度和抗震能力水平在地震作用下是双向的,确定结构的刚度,然后合理的布置结构能够抵抗任意方向上的地震作用。通常状况下,结构沿着平面上两个主轴方向都应该具有足够的刚度与抗震能力,结构的刚度不仅仅应该控制结构的变形,还应该尽可能降低地震作用对高层建筑结构的冲击,如果结构发生较大的变形,将会产生重力二阶效应,导致结构失衡而被破坏,降低高层建筑的抗震可靠性,因此在抗震概念设计中,应该重视结构的刚度设计。
  (四)结构的规则性与均匀性
  高层建筑的竖向和立面的剖面布置,应该遵循结构侧向刚度的变化,避免侧向刚度以及抗侧力结构承载力的突变。沿着建筑物的竖向机构布置和建筑造型应该规则和相对均匀。避免传力途径、刚度以及承载力的突变,防止结构在竖向上的某一楼或者少数楼层之间出现薄弱的环节。
  四、抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用
  (一)抗震概念设计应该重视高层建筑的结构规律
  在高层建筑的抗震概念设计应用中,应该对高层建筑的体型设计进行科学的修正,保证在质量、刚度、对称、规则上分布均匀.保证设计的整体性,避免局部出现刚度过大的问题。高层建筑的结构布局对抗震概念设计具有十分重要的作用。简单、对称的建筑在地震中的应力分析和实际反映很容易做到,并且能够达到相一致,但是在凹凸的立面与错层设计的高层建筑中,当地震发生时将会产生复杂的地震效应,很难做到对高层建筑抗震效果的最佳分析。因此高层建筑的抗震概念设计应该重视结构的规律性。
  (二)抗震概念设计在结构体系上的应用
  高层建筑抗震结构体系是抗震概念设计的关键,抗震概念设计在结构体系上的应用,是依照高层建筑物的高度以及抗震等级选择合适的抗侧力体系,通过概念计算确定结构设计方案的可行性以及主要构件的基本尺寸。抗震结构方案选择的合理性,直接影响建筑抗震概念设计的经济性与安全性。合理的选择建筑结构体系应该注意以下三个方面:其一,选择建筑结构体系时,应该对由于部分建筑结构或者部分构件的破坏,而导致整体建筑结构体系丧失对抗震能力或者重力荷载的承载能力时,应该坚持抗震设计原则中的赘余度功能和内力重分配功能,这一原则的重要性在许多建筑物地震后的实际状况中都得到了很好的印证;其二,选择建筑结构体系时,不仅应该要求建筑体系的受力明确、传力合理以及传力路线,还应该有合理的地震作用传递途径和明确的计算简图,这些都应该和不间断的抗震分析相符合;其三,其延性是建筑结构中的重要特性之一,结构体系的变形能力取决于组成结构的构件和连接的延性水平,提高结构构件的延性水平,是提高高层建筑抗震设计概念在建筑结构设计应用中的重点问题。通过采用竖向和水平向混凝土构件能够增强对砌体结构的约束,当配筋砌体在地震中即使产生裂缝也不会倒塌或者散落,保证高层建筑早地震中不至于丧失对重力荷载的承载能力。
  (三)抗震概念设计在结构构件上的应用
  高层建筑抗震的实现需要各个构件的支撑,因此,抗震结构体系中的各个构件都必须具有一定的刚度与强度,并且还应该具有可靠的连接性。高层建筑的结构体系是一个多层次超静定结构,因此其抗震结构也应该设置多道抗震防线,这样在地震作用下,即使一部分构件先被破坏,剩余的构件依然具备支撑的作用形成独立的抗震结构,承受地震力与竖向荷载。因此合理的预见高层建筑结构破坏的位置,适当的调整构件的强弱关系,形成多道抗震防线实现对高层建筑结构体系的合理控制,这是结构抗震耗能的一种有效措施是建筑抗震结构概念设计的重要内容。
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