论高层建筑结构抗震的优化设计

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1、论高层建筑结构抗震的优化设计　　摘要：近年来，我国高层建筑的数量日益增多，建筑需求的多样化促使建筑设计不断翻新，各种体型复杂、内部空间多变的复杂高层建筑大量涌现。研究高层建筑抗震设计问题，是当前面临的一个重要问题。关键词：高层建筑抗震设计　　引言　　结构工程师按抗震设计要求进行结构分析与设计，其目标是希望使所设计的结构在强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，从而经济地实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的目的。　　1高层建筑抗震结构设计的基本原则　　结构构件的承载力、刚度、稳定性、延性　　结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱”的原则。对可能造成结构的相对薄弱部位，应

2、采取措施提高抗震能力。承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。　　尽可能设置多道抗震防线　　一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。例如框架-剪力墙结构由延性框架和剪力墙两个分体组成，双肢或多肢剪力墙体系组成。强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈

3、服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长阶段，保证结构的延性和抗倒塌能力。在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强以及在施工中以大带小，改变抗侧力构件配筋的做法，都需要慎重考虑。　　对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力　　构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。要使楼层的实际承载能力和设计计算的弹性受力的比值在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层的比值有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。在抗震设计中有

4、意识、有目的地控制薄弱层，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。时须慎重或与其他措施配合使用。此外，可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。　　2基于变形的设计原理　　在基于性态的抗震设计中，变形是起控制作用的参数。由于性态以损伤程度为标志，损伤又与构件和体系的变形程度相关，必须提供足够的强度来防止过度的非弹性变形。另外，那些在达到最大强度时不具备屈服后变形能力的构件则不允许经历非弹性变形。因此对这类构件应使用基于力的验算方法。建筑物的总位移只能对建筑物的性态作定性评价。层间位移角是在一个给定的时间步长内两个相邻楼盖的相对水平位移角，但在高层

5、建筑中是把每层的这些相对运动看作刚体位移和剪切变形角引起的分量来评价。同时应弹性层间位移角限值与弹塑性层间位移角限值的要求。非弹性的构件变形是评价延性构件的结构性损伤及结构性倒塌趋势的基础。评价一般是通过在一个时点比较逐个单一部件的变形需求与容许值来完成的。而容许值应以所提供的结构性构造以及并存的构件力为依据。　　3提高短柱抗震性能的应对措施　　提高短柱的受压承载力　　提高短柱的受压承载力可减小柱截面、提高剪跨比，从而改善整个结构的抗震性能。减小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的强度等级，即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力，降低其轴压比；但由于高强混凝土材料本身的延性较差，

6、采用时须慎重或与其他措施配合使用。此外，可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。　　采用钢管混凝土柱　　钢管混凝土是套箍混凝土的一种特殊形式，由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，相当于配筋率2至少都在%。当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后，柱子的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。

7、　　采用分体柱　　由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。分体柱方法已在实际工程中得到应用。人为削弱抗弯强度的方法，可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之