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摘要:随着人们生活水平的不断提高,城市人口密度的大幅度增长,高层建筑成了社会生产发展和人类物质生活的产物,它们成为现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。自然灾害地震是一种地壳运动产生的不规律随机震动,有着难于把握的复杂性和不确定性,很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数,这将给目前城市中的高层建筑设计带来一定的困难,目前,如何提高建筑总体抗震能力的概念设计是建筑行业关注的焦点。本文主要研究了抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用。
关键词:高层建筑;抗震;概念设计;结构设计
地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广,是一个地震多发的国家,而在地震发生的过程中,导致人员伤亡的主要因素便是建筑物的破损、倒塌等由地震引发的灾害现象。新中国成立以来,国内曾遭遇多次地震灾害,而诸多地震也带走了百万人的生命及不可估量的社会经济损失(如表1所示)。由于地震灾害具有随机性、复杂性的特点,每次地震所产生的波形各异(横波与纵波交错),因而地震过程中,其对建筑物的作用各不相同,所产生的破坏程度也千差万别。因此,在进行结构的抗震设计时要综合考虑多方面因素,而切实做好抗震概念设计又显得尤为重要。
1.抗震概念设计
1.1传统设计思维对建筑抗震的影响
传统结构设计的计算理论为建筑设计提供的是结构设计中对结构抗力的研究和计算。这种传统的设计思维使得建设结构设计师过度注重细节,而不是整体结构形式。抗震设计中传统的设计思路不能完全适用于结构设计,完全的照本宣科只能让建筑结构趋向不合理。
1.2抗震概念设计的引入
在抗震设计中,概念设计的应用已经成为设计者关注的设计理念,尤其是在现在的高层建筑物中。高层建筑结构设计过程中的抗震概念设计是指在进行建筑物结构抗震设计时,根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,从概念上,特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策,即正确地解决建筑物抗震方面的总体方案、材料使用和结构内部构造,从而达到合理的抗震效果。
2.抗震概念设计的一般原则
需要强调的是设计不能陷入只依靠计算的误区,如果结构严重不规则,整体性差,仅按目前的结构设计的计算水平,难以保证结构的抗风、抗震性能,尤其是抗震的性能。因此,要求结构工程师和建筑师要共同做好初步设计。关于高层建筑混凝土结构设计的一般原则与具体内容,在高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)的有关章节中作了规定。
(1)简单性结构的简单性是指结构在地震的作用下具有直接、明确的传力的途径。在建筑抗震设计规范中做出强制性条文要求,“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,才能对结构的计算模型、内力和位移进行分析,避免薄弱部位的出现,因此对结构的抗震性的估计也相对可靠。
(2)规则性与均匀性建筑以及抗侧力结构在平面的布置上应该规则和对称,并应该具备良好的整体性;建筑物的立面与竖向的剖面布置应规则,结构侧向刚度的变化应均匀,竖向抗侧力结构的材料强度及截面大小应自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的承载力以及侧向刚度的突变。平面布置的均匀规则,使建筑分布质量产生的地震惯性力以比较短且直接的途径进行传递,并使结构刚度分布与质量分布相互协调,限制刚度和质量之间的偏心。沿着建筑物的竖向,建筑造型与结构布置相对均匀,避免了承载力、刚度以及传力途径的突变,以限制其结构在竖向的某一楼层或者少数几个楼层之间敏感薄弱部位的出现。
(3)刚度与抗震能力水平的地震作用是双向的,合理的结构布置应能够抵抗任意方向上产生的地震作用。一般地结构沿着平面上两个主轴方向应具有足够的抗震能力和刚度。抗震能力是结构强度和延性的综合反映;结构刚度既要尽量减少地震作用效应又要控制结构变形,过大的结构变形能产生重力二阶效应,导致结构失稳、破坏。
(4)整体性楼盖对于高层建筑结构的整体性起到重要作用,它相当于水平隔板,不仅聚集、传递惯性力到各竖向抗侧力的子结构,而且要求这些子结构能够承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构的布置复杂或者不均匀或者抗侧力子结构的水平变形特征存在差异时,整个建筑就依靠楼盖使抗侧力子结构的协同工作。
3.高层建筑物结构设计中抗震概念设计的主要内容
3.1选择对建筑抗震有利的场地和地基,以减少地震的能力输入
国内多次大地震的调查也表明,局部地形条件是影响建筑物破坏程度的一个重要因素。场地条件一般指局部地形、地基土层、断层、砂土液化等。表层覆盖层厚度小、土质硬,因此稳定性好,承载力高,在地震作用下不易发生地基失效;土质越软,厚度越大,对地震的放大效应亦越大;局部凸出的土质山梁和孤立的山包,对地震效应也有放大作用。在地质断层处,常出现地层错位、地基失效、滑坡或者土体变形的现象。在进行抗震设计时,应选择坚硬或者中硬土场地,当无法避开不利的或者危险的场地时,应采取必要的措施,以减少地震的能力输入。
3.2科学布局建筑的平面与立面
在结构设计中,建筑平面与立面的规整性是十分基础且重要的内容之一。在抗震设计中建筑平面与立面应尽可能规则和简洁,刚度中心和结构的质量中心重合。对于结构平面设计不规则房屋的质量中心和刚度中心往往不易重合,在地震的作用下会发生扭转,加剧了地震的破坏强度。在建筑立面设计时,应避免带有突然变化的阶梯形立面出现,并尽量降低房屋的重心,凸出屋面建筑部分的高度不宜过高,避免地震时产生鞭梢效应。建筑的高度越高,地震造成的破坏程度就越大,建筑抗震设计规范对多层砌体房屋的总层数与总高度必须满足表2中规定的限值。
若在建筑平面、立面设计中不可避免地采取严重不规则的设计方案时,应尽量在合适的部位设置防震缝,将平面特别不规则、体型复杂的整体建筑分割成几个相对规则的独立单元。在考虑到建筑造型与满足使用功能的因素之后,将建筑的平面布置与立面的外观造型设计的较为简洁、规整、美观大方;同时又能提高工程的抗震性能。
3.3合理地进行结构的选型和布置
在结构的选型方面应根据建筑的重要性、房屋高度、设防烈度、场地、基础、材料、地基与施工等因素,经济技术和经济条件比较后综合确定。结构的布置应遵循平面布置力求对称,竖向布置力求均匀的原则。在纯框架结构的高层建筑物中应尽可能避免将框架柱与楼梯的踏步斜梁和平台梁直接相连,这样会使框架柱变成短柱,地震时易发生剪切破坏。
3.4确保结构的整体性
结构的整体性是保证结构中各个部件在地震作用下协同工作的必要条件。在地震作用下结构不丧失整体性,才能保证结构具有足够的抗震能力。结构抗震能力的大小取决于结构的空间整体稳定性与整体刚度。施工质量好的型钢混凝土结构与现浇钢筋混凝土结构具有水平刚度大、整体性好等优点,是比较理想的抗震结构,使用这种结构不但可以消除散落的滑移的问题,增强楼板的刚度,增加结构的整体性,而且由于砌体结构以剪切变形为主,层间的变形可以控制,所以对平面墙体的要求就可以适当放寬。
3.5非结构部件的处理
在地震的作用下,建筑物中的内隔墙、框架填充墙、楼梯踏步板、建筑物外围墙板等结构也会不同程度地参与工作,可能改变某些构件的承载力、刚度与传力路线或者整个结构,产生意外的抗震效果,或者造成预料外的局部震害。妥善的处理这些非结构部件,可减轻地震灾害,提高建筑物的抗震可靠度。
4.结论
随着城市人口密度的不断增大,城市高楼耸立的场面将屡见不鲜,抗震概念设计在高层建筑结构设计中将发挥巨大作用,作者在结合抗震概念设计的引入及设计原则,分析了其在高层建筑结构设计中主要包括的内容,希望概念设计的思想被越来越多的建筑工程师认可并为高层建筑设计做出相应的贡献。
参考文献
[1]徐萍,叶明峰.抗震概念设计在建筑结构设计中的应用[J].工程技术,2011.
[2]韩恒梅,王丽静.高层建筑的抗震概念设计[J],煤炭工程,2008.
[3]张军.关于高层建筑结构的抗震概念设计[J].山西建筑,2009.
收稿日期:2013-4-7
作者简介:周定前(1979-),男,侗族,贵州凯里人,本科,工程师,主要从事建筑结构设计工作。
关键词:高层建筑;抗震;概念设计;结构设计
地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广,是一个地震多发的国家,而在地震发生的过程中,导致人员伤亡的主要因素便是建筑物的破损、倒塌等由地震引发的灾害现象。新中国成立以来,国内曾遭遇多次地震灾害,而诸多地震也带走了百万人的生命及不可估量的社会经济损失(如表1所示)。由于地震灾害具有随机性、复杂性的特点,每次地震所产生的波形各异(横波与纵波交错),因而地震过程中,其对建筑物的作用各不相同,所产生的破坏程度也千差万别。因此,在进行结构的抗震设计时要综合考虑多方面因素,而切实做好抗震概念设计又显得尤为重要。
1.抗震概念设计
1.1传统设计思维对建筑抗震的影响
传统结构设计的计算理论为建筑设计提供的是结构设计中对结构抗力的研究和计算。这种传统的设计思维使得建设结构设计师过度注重细节,而不是整体结构形式。抗震设计中传统的设计思路不能完全适用于结构设计,完全的照本宣科只能让建筑结构趋向不合理。
1.2抗震概念设计的引入
在抗震设计中,概念设计的应用已经成为设计者关注的设计理念,尤其是在现在的高层建筑物中。高层建筑结构设计过程中的抗震概念设计是指在进行建筑物结构抗震设计时,根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,从概念上,特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策,即正确地解决建筑物抗震方面的总体方案、材料使用和结构内部构造,从而达到合理的抗震效果。
2.抗震概念设计的一般原则
需要强调的是设计不能陷入只依靠计算的误区,如果结构严重不规则,整体性差,仅按目前的结构设计的计算水平,难以保证结构的抗风、抗震性能,尤其是抗震的性能。因此,要求结构工程师和建筑师要共同做好初步设计。关于高层建筑混凝土结构设计的一般原则与具体内容,在高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)的有关章节中作了规定。
(1)简单性结构的简单性是指结构在地震的作用下具有直接、明确的传力的途径。在建筑抗震设计规范中做出强制性条文要求,“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,才能对结构的计算模型、内力和位移进行分析,避免薄弱部位的出现,因此对结构的抗震性的估计也相对可靠。
(2)规则性与均匀性建筑以及抗侧力结构在平面的布置上应该规则和对称,并应该具备良好的整体性;建筑物的立面与竖向的剖面布置应规则,结构侧向刚度的变化应均匀,竖向抗侧力结构的材料强度及截面大小应自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的承载力以及侧向刚度的突变。平面布置的均匀规则,使建筑分布质量产生的地震惯性力以比较短且直接的途径进行传递,并使结构刚度分布与质量分布相互协调,限制刚度和质量之间的偏心。沿着建筑物的竖向,建筑造型与结构布置相对均匀,避免了承载力、刚度以及传力途径的突变,以限制其结构在竖向的某一楼层或者少数几个楼层之间敏感薄弱部位的出现。
(3)刚度与抗震能力水平的地震作用是双向的,合理的结构布置应能够抵抗任意方向上产生的地震作用。一般地结构沿着平面上两个主轴方向应具有足够的抗震能力和刚度。抗震能力是结构强度和延性的综合反映;结构刚度既要尽量减少地震作用效应又要控制结构变形,过大的结构变形能产生重力二阶效应,导致结构失稳、破坏。
(4)整体性楼盖对于高层建筑结构的整体性起到重要作用,它相当于水平隔板,不仅聚集、传递惯性力到各竖向抗侧力的子结构,而且要求这些子结构能够承受地震作用,特别是当竖向抗侧力子结构的布置复杂或者不均匀或者抗侧力子结构的水平变形特征存在差异时,整个建筑就依靠楼盖使抗侧力子结构的协同工作。
3.高层建筑物结构设计中抗震概念设计的主要内容
3.1选择对建筑抗震有利的场地和地基,以减少地震的能力输入
国内多次大地震的调查也表明,局部地形条件是影响建筑物破坏程度的一个重要因素。场地条件一般指局部地形、地基土层、断层、砂土液化等。表层覆盖层厚度小、土质硬,因此稳定性好,承载力高,在地震作用下不易发生地基失效;土质越软,厚度越大,对地震的放大效应亦越大;局部凸出的土质山梁和孤立的山包,对地震效应也有放大作用。在地质断层处,常出现地层错位、地基失效、滑坡或者土体变形的现象。在进行抗震设计时,应选择坚硬或者中硬土场地,当无法避开不利的或者危险的场地时,应采取必要的措施,以减少地震的能力输入。
3.2科学布局建筑的平面与立面
在结构设计中,建筑平面与立面的规整性是十分基础且重要的内容之一。在抗震设计中建筑平面与立面应尽可能规则和简洁,刚度中心和结构的质量中心重合。对于结构平面设计不规则房屋的质量中心和刚度中心往往不易重合,在地震的作用下会发生扭转,加剧了地震的破坏强度。在建筑立面设计时,应避免带有突然变化的阶梯形立面出现,并尽量降低房屋的重心,凸出屋面建筑部分的高度不宜过高,避免地震时产生鞭梢效应。建筑的高度越高,地震造成的破坏程度就越大,建筑抗震设计规范对多层砌体房屋的总层数与总高度必须满足表2中规定的限值。
若在建筑平面、立面设计中不可避免地采取严重不规则的设计方案时,应尽量在合适的部位设置防震缝,将平面特别不规则、体型复杂的整体建筑分割成几个相对规则的独立单元。在考虑到建筑造型与满足使用功能的因素之后,将建筑的平面布置与立面的外观造型设计的较为简洁、规整、美观大方;同时又能提高工程的抗震性能。
3.3合理地进行结构的选型和布置
在结构的选型方面应根据建筑的重要性、房屋高度、设防烈度、场地、基础、材料、地基与施工等因素,经济技术和经济条件比较后综合确定。结构的布置应遵循平面布置力求对称,竖向布置力求均匀的原则。在纯框架结构的高层建筑物中应尽可能避免将框架柱与楼梯的踏步斜梁和平台梁直接相连,这样会使框架柱变成短柱,地震时易发生剪切破坏。
3.4确保结构的整体性
结构的整体性是保证结构中各个部件在地震作用下协同工作的必要条件。在地震作用下结构不丧失整体性,才能保证结构具有足够的抗震能力。结构抗震能力的大小取决于结构的空间整体稳定性与整体刚度。施工质量好的型钢混凝土结构与现浇钢筋混凝土结构具有水平刚度大、整体性好等优点,是比较理想的抗震结构,使用这种结构不但可以消除散落的滑移的问题,增强楼板的刚度,增加结构的整体性,而且由于砌体结构以剪切变形为主,层间的变形可以控制,所以对平面墙体的要求就可以适当放寬。
3.5非结构部件的处理
在地震的作用下,建筑物中的内隔墙、框架填充墙、楼梯踏步板、建筑物外围墙板等结构也会不同程度地参与工作,可能改变某些构件的承载力、刚度与传力路线或者整个结构,产生意外的抗震效果,或者造成预料外的局部震害。妥善的处理这些非结构部件,可减轻地震灾害,提高建筑物的抗震可靠度。
4.结论
随着城市人口密度的不断增大,城市高楼耸立的场面将屡见不鲜,抗震概念设计在高层建筑结构设计中将发挥巨大作用,作者在结合抗震概念设计的引入及设计原则,分析了其在高层建筑结构设计中主要包括的内容,希望概念设计的思想被越来越多的建筑工程师认可并为高层建筑设计做出相应的贡献。
参考文献
[1]徐萍,叶明峰.抗震概念设计在建筑结构设计中的应用[J].工程技术,2011.
[2]韩恒梅,王丽静.高层建筑的抗震概念设计[J],煤炭工程,2008.
[3]张军.关于高层建筑结构的抗震概念设计[J].山西建筑,2009.
收稿日期:2013-4-7
作者简介:周定前(1979-),男,侗族,贵州凯里人,本科,工程师,主要从事建筑结构设计工作。