对高层建筑结构抗震概念设计的几点认识

梁爱莉

摘要 本文针对地震的特点,强调工程结构抗震中概念设计的重要性及进行概念设计的基本原则,从结构设计的简单性、规则性、均匀性、对称性、结构的刚度和延性的合理匹配等几个方面对高层建筑结构抗震概念设计进行了阐述,要求工程技术人员在结构设计中不仅应具有扎实的“计算设计”功底,还应具备清晰的概念和丰富的实践经验,在工程设计开始就把握好房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个方面,从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。

关键词 高层建筑;抗震;概念设计

中图分类号 TU973+.31 文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2009)10-0012-02

地震是一种随机振动,有着难于把握的复杂性和不确定性。要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数,一时很难做到。成功的工程结构抗震设计不能仅依赖于精细的计算分析,同时还必须在总结现有震害经验基础上,利用已经认识的结构地震反应规律和良好的结构知识对结构的总体布置和细部构造进行合理设计,即所谓的抗震概念设计。

概念设计的重要性,主要在于因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或者不可计算性,为了弥补计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时,概念设计还体现在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的,这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深人了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。

概念设计强调,在工程设计一开始就应把握好场地选择、能量输人、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个方面,从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节,再辅以必要的计算和构造措施,就有可能使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。以下讨论的是高层建筑结构概念设计中较为关键的问题。

1 结构布置力求简单、规则

在设计时,要使结构布置尽量简单,只有结构简单,才能够对结构的计算模型、内力与位移分析,限制薄弱部位的出现易于把握,因而对结构抗震性能的估计也比较可靠。

结构布置均匀、建筑平面规则,有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌,使地震作用能在各子结构之间重分布,增加结构的赘余度数量,发挥整个结构耗散地震能量的作用。沿建筑物竖向,建筑造型和结构布置比较均匀,避免刚度、承载力和传力途径的突变,以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位[1]。

在建筑结构的平面布置时,应力求抗侧力构件的布置均匀对称,只有这样才不会使结构的质量中心和刚度中心存在较大偏离,从而避免在地震下产生附加扭转破坏。1972年在南美洲马那瓜地震中,两幢相邻高层建筑的截然不同震害就是由于主要抗侧力构件非对称布置所造成附加震害的典型实例,其中15层的中央银行大厦因抗侧力构件不对称布置(钢筋混凝土梯井均集中布置在结构平面的右端)而发生倒塌,而采用对称外框内筒结构的18层美洲银行大厦却只受到轻微破坏;1995年日本阪神地震中,由于结构构件或填充墙非对称布置所造成的结构附加扭转破坏在临街建筑的震害中表现得最为突出。这种临街建筑的特点是沿街设橱窗而背面为实墙,因而房屋纵向的刚度中心与质量中心存在较大偏离,震害特点是临街一侧钢筋混凝土柱严重破坏,整幢建筑往街一侧倾倒[2]。

2 刚度与延性的合理匹配

在高层建筑结构设计中,现行的规范是《高层建筑混凝土结构技术规程》。高层建筑层数多、高度大,为保证高层建筑结构具有必要的刚度,应对其层间位移加以控制。这个控制实际上是对构件截面大小、刚度大小的一个相对指标。高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性有很大的影响,应设计的刚些还是柔些,不同的设计人员有不同的看法。

刚度决定的结构自振周期与场地的卓越周期应避开,以避免发生类共振,造成建筑物破坏、倒塌。由于高层建筑对地震地面运动的反应是一种动力反应,因而在建筑和结构体系的设计中就应该充分认识到结构体系的基本周期、场地软硬程度、场地覆盖层厚度和地震波的频谱成分之间的动力效应关系,以避免结构产生单重或二重类共振而造成严重的破坏。建筑类共振破坏的问题已通过1985年墨西哥大地震中高层建筑(20层左右为主)的大量破坏而得到工程界的普遍共识。其原因是墨西哥城位于新近代沉积盆地,土质松软且厚度大,场地卓越周期长。其周期范围正好与20层左右的高层建筑的基本周期较为接近,从而造成了严重震害。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地的卓越周期,通过调整结构的层数、选择合适的结构类别和结构体系,使建筑的基本周期尽量避开场地的卓越周期[3]。

一般认为,对于某些地区,由于土质较好,基岩埋深也普遍较浅,且高层建筑多采用桩基础,或者有1~2层的地下室,持力层座落在中,微风化岩层或者中硬场地土层,地基的特征周期值较小。在此条件下,高层建筑的抗侧高度一般可以设计的柔些,以结构的极限变形能力作为控制值。在满足变形的限值的前提下,结构刚度尽可能设计得小些,这样既降低了地震作用,也使场地与建筑物发生共振的可能性减小,而且也达到了经济目的。大多数工程实践证明,建在较硬场地上的高层建筑可以按变形控制,以柔克刚,既安全又经济。

结构的抗震能力是由承载力和变形能力两者共同决定的,承载力较低,但具有很大延性的结构,所能吸收的能量多,虽然较早出现损坏,但能经受住较大的变形,避免倒塌。仅有较高强度而无塑性变形能力的脆性结构,吸收能量的能力弱,一旦遭遇超过设计水平的地震时,很容易因脆性破坏而突然倒塌。弹性地震反应分析的着眼点是强度,用加大强度来提高结构的抗震能力,弹塑性地震反应分析的着眼点是变形能力,当地震力达到结构屈服抗力以后,利用结构的塑性变形发展来抗御地震,所以提高结构的屈服抗力只能推迟结构进入塑性阶段,而增加结构的延性,不仅能削减地震反应,而且提高了结构抗御强烈地震的能力。

3 结论

作为土木工程技术人员在高层建筑的研究和工程设计中,不仅应具有扎实的“计算设计”功底,还应具备清晰的概念和丰富的实践经验,在设计的整个过程中更好地运用概念设计,去处理理论和细节问题,从而创造出更加安全、适用、经济美观的高层建筑。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部.GB50011-2001建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]吕西林.高层建筑结构设计[M].2版.武汉:武汉理工大学出版社,2002.

[3]中华人民共和国建设部.JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.