浅谈高层建筑抗震的现状及发展前景.doc

中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告 第 4 页浅谈高层建筑抗震的现状及发展前景（中国矿业大学建筑工程学院土木 11-5班 马绪文）摘要:对于一个高层结构的设计,遇到的问题可能错综复杂,只能具体问题具体分析。工程实践表明在高层结构的设计过程中,设计人员只有抗震概念清晰,构造措施得当,应用合适的结构分析软件三者有机结合才能取得比较理想的结果,在这个过程中抗震构造重于结构计算。本文对建筑抗震进行必要的理论分析,从而探索高层建筑的设计理念、方法,采取必要的抗震措施并简述其发展前景。 关键词:高层建筑;抗震;结构设计 现阶段,土与结构物共同工作理论的研究与发展使建筑抗震分析在概念上进一步走向完善,如果可以在结构与地基的材料特性,动力响应,计算理论,稳定标准诸方面得到符合实际的发展,自然会在建筑结构抗震领域内起到重要的作用。 1 高层建筑抗震设计特点 第一，控制建筑物的侧移是重要的指标。在地震荷载作用下，建筑结构所产生的水平剪切力占主导地位，所以建筑物会产生明显的侧移，随建筑结构的高度不断曾加，结构的侧向位移迅速增大，但该变形要在一定限度之内，这样才能保证结构安全以及使用功能。 第二，地震荷载中的水平荷载是决定因素。水平荷载会使建筑物产生倾覆力矩，并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力，这些都与建筑物高度的两次方成正比，故随建筑结构高度的曾加，水平载荷大相径庭。对高度一定的建筑物而言，竖向荷载基本上是不变的，但是随着建筑物的质量、刚度等动力特性的不同，水平地震荷载和风荷载的变化是比较大的。 第三，要重视建筑结构的延性设计。高层建筑结构随着高度增加，刚度减小，显得更柔，在地震荷载作用下变形较大。这就要求建筑结构要有足够的变形能力，使结构进入塑性变形阶段仍然安全，需要在结构构造上采取有利的措施，使得建筑结构具有足够的延性。2 建筑抗震的理论分析 2.1 建筑结构抗震规范简介 建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结,是指导建筑抗震设计(包括结构动力计算,结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平,又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有关科学理论的引导,向技术经济合理性的方向发展,但它更要有坚定的工程实践基础,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半点冒险和不实。正是基于这种认识,现代规范中的条文有的被列为强制性条文,有的条文中用了“严禁,不得,不许,不宜”等体现不同程度限制性和“必须,应该,宜于,可以”等体现不同程度灵活性的用词。 2.2 抗震设计的理论 拟静力理论：拟静力理论是20世纪1040年代发展起来的一种理论,它在估计地震对结构的作用时,仅假定结构为刚性,地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)。 反应谱理论：反应谱理论是在加世纪4060年代发展起来的,它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解,以及结构动力反应特性的研究为基础,是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。动力理论:动力理论是20世纪70-80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外,人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解,同时随着强震观测台站的不断增多,各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论,它把地震作为一个时间过程,选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入,建筑物简化为多自由度体系,计算得到每一时刻建筑物的地震反应,从而完成抗震设计工作。3 高层建筑结构抗震设计 3.1 抗震措施 在对结构的抗震设计中,除要考虑概念设计、结构抗震验算外,历次地震后人们在限制建筑高度,提高结构延性(限制结构类型和结构材料使用)等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前,在抗震设计中,从概念设计,抗震验算及构造措施等三方面入手,在将抗震与消震(结构延性)结合的基础上,建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法,直至进一步通过一些结构措施(隔震措施,消能减震措施)来减震,即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且强柱弱梁,强脊弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。 3.2 高层建筑结构的抗震设计方法 地震是一种自然现象，至今尚不能科学地定量、定时、定点预测，其破坏具有多发性、连锁性和严重性等特点。对于一些超高层建筑物，目前很多设计已经不再局限于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防标准，对重要结构必要时可以高于上述标准，很多抗震设计思想和方法是在总结国内外工程震害经验的基础上提出来的。 阻尼器的使用进入20 世纪以来，人们对建筑物抗振动能力的提高做出了巨大的努力，取得了显著的成果。其中尤为重要的是阻尼器在结构抗震减灾中的运用。人们利用阻尼器抗振、减震和吸能的特点，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震对高层建筑的破坏作用。目前，运用于高层建筑的结构调谐振动控制装置有多种：调谐质量阻尼器（ Tuned Mass Dampers ,TMD） 、调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Dampers，TLD）、质量泵（Mass Pumps ,MP）、摆式质量阻尼器、液体质量控制器等。其中，调谐液体阻尼器（TunedLiquid Damper，简称TLD）是一种被动耗能减振装置，近年来进行了大量的研究和应用。TLD 这一名称为孙利民教授和其导师藤野阳三（东京大学）最先提出，后来在国内外被广泛使用。调谐液体阻尼器利用固定水箱中的液体在晃动过程中产生的动侧力来提供减振作用。其具有构造简单，安装容易，自动激活性能好，不需要启动装置等优点，可兼作供水水箱使用。 柔性结构的运用中国自古有“以柔克刚”的思想，即刚劲的东西不一定要用。更刚劲的去征服，有时需要用柔软的事物去克制。在高层建筑抗震当中，即由传统的以“硬抗”为主的抗震体系转变为以“柔抗”为主的结构减震控制体系。建筑采用动力平衡的建筑结构体系防震减震效果会更好，这样可以以柔克刚、刚柔相济，有效的释放地震冲击力。这方面的运用，有很多例子，比如拱结构在高层抗震当中的运用：迪拜帆船酒店，外观如同一张鼓满了风的帆，一共有56 层、321m 高，就是运用拱结构抗震减灾的很好的例子。又如，在新建建筑物四周一定范围内，沿基础设置消震装置，在建筑物上部设置隔震减震装置。基础部分的消震装置起隔断地震冲击力作用，上部设置的隔震减震装置则将冲击力的传力进一步切断。这就可以从根本上降低地震的破坏力。 高延性构件的运用目前，我国的高层建筑很多采用延性结构体系来抗震设防，即适当控制结构的刚度，容许结构构件在地震时进入塑性状态，具有较大的延性，以此消耗地震能量，减小地震反应，减轻地震给高层建筑带来的破坏与损失。如果一座高层建筑物具有较大的延性，即使承载能力较低，它所能吸收的能量也会较大，虽然较早出现损坏，但能经受住较大的变形，避免倒塌；而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。所以，延性结构的运用这种体系，在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。 设置多道抗震防线高层建筑结构需要设置多道抗震防线。建筑物应设置多道抗震防线，当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续的地震动的冲击，使建筑物免于倒塌。3.3高层建筑结构抗震设计1选择场地地基选择场地地基首先要根据实际工程需要，并且还要考虑地震活动情况。分析天然地基时的抗震承载力要根据不同的场地来进行，另外，分析地震所造成的危害度也要根据不同场地来进行。如果有必要，可采用规范的地基来进行处理。对避让距离的确定可根据地震强度、断裂的地质历史、场地土的厚度来进行，进而有利于对场地范围内的地震断裂的确定。必须确保避开对建筑不利的地段来进行场地地基的选择，如果如法避开，可以利用合适的抗震措施来进行。2合理匹配建筑结构刚度、承载力和延性设计建筑结构的抗力较高时能够在一定程度上降低总体延性的要求。因此，要综合考虑整个结构的承载力和构造等因素来对结构的抗震能力进行衡量。当发生地震时，建筑物将会受到地震作用，其大小与动力特性有着很大的关系。但是，结构的抗侧力刚度的提高一般都需要提高工程造价，因此，使结构中的所有构件都具有较高的延性是提高建筑物的抗震性能最理想的措施，虽然这个理想措施很难在实际中实现。工程实践比较经济可行的方法就是有选择的提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性。因此，合理匹配建筑结构刚度、承载力和延性设计在高层建筑结构抗震设计中是非常重要的。4 高层建筑抗震设计前景展望今后若干年，中国仍将是世界上修建高层建筑最多的国家，这将会给高层建筑抗震设防带来新的难题。展望21 世纪高层建筑抗震设防的前景，具体的可以表现如下：4.1 抗震设防计算方法的转变从振型分解反应法到时程分析法的转变；从线性分析到非线性分析的转变；从确定性分析到非确定性分析的转变。4.2 结构振动控制的研究与应用基底隔震、悬挂隔震、耗能减震、吸能减震方面的运用和研究将会大力加强。4.3 地震力分析理论的完善和转变地震力分析理论会由目前运用最广的反应谱理论向动态时程理论发展。结语结构抗震设计方法的研究与进展,尤其是各国历次大地震对人类造成的严重灾害的经验教训,使世界各国地震工程学者及抗震设计人员逐步取得了较为一致的认识,经济与安全的关系,是结构抗震设计的重要技术政策。从长远观点看,如何从我国高层建筑抗震设计现状及国际高层建筑抗震设计发展的趋势出发,探求一种实用可行的合理抗震设计分析方法,是处于地震设防区域高层建筑发展的新方向。参考文献 1 朱镜清.结构抗震分析原理M.地震出版社,2002.112 许福海.建筑结构抗震的发展及前景展望.新疆职业大学学报，2004，9.3 李国强.沈祖炎.高层建筑抗展设计的发展趋势.建筑结构学，1992，8.4 查桂华.对多层高层建筑抗震结构概念设计的几点认识.马钢职工大学学报，2001，4.5 曹洪滨.当代高层建筑结构的抗震分析.山西建筑，2007，6 徐培福.复杂高层建筑结构设计M.第一版.北京:中国建筑工业出版社，20057 徐培福,肖从真,王翠坤.架空连廊的震害及设计建议J.建筑结构，2004(1)，第3卷第1期:51528 刘晶波等.大跨高层连接体建筑结构动力分析J.建筑结构学报.2004(2)，第25卷第l期:4552.9 Miranda E, Taghavi S. Towards the prediction of seismic performance of nonstructural elementsC. Proceedings of 2003 SEAOC Convention, Squaw Valley, CA, September 200310 秦权,李瑛. 非结构构件和设备的抗震设计楼面谱J. 清华大学学报(自然科学版), 1997, 37(6): 82-86.11 日本建筑学会，隔震结构设计，地震出版社，2006.3.112建筑抗震设计规范 GB50011-2010.2010.13建筑工程抗震设防分类标准 GB50223-200814 JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程S.15 吕西林.高层建筑结构M.武汉:武汉理工大学出版社,2003.16 丰定国.工程结构抗震M.武汉:武汉工业大学出版社,2002.17 朱伯龙.等.工程结构抗震设计原理M.上海:上海科学技术出版社,1982.18 胡聿贤.地震工程学M.北京:地震出版社,2005.19 GB50011-2001,建筑抗震设计规范S.20 徐宜和.丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨J.江苏建筑,2004(3).21 李国强.建筑结构抗震设计，中国建筑工业出版社.201022 刘冬柏.王璇不规则建筑抗震设计中的几个问题讨论，中国建筑工业出版社23 尹之潜.现有建筑抗震设计能力评估 中国建筑工业出版社4