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1、高层建筑抗震分析探讨高层建筑抗震分析探讨 - 结构理论结构理论高层建筑抗震分析探讨摘要：我国是一个多地震国家，高层建筑结构的抗震问题也逐渐成为建筑行业关注的焦点。采用抗震性能好的建筑结构体系及平面布置，应用新型建筑材料可以大幅度增强建筑物的抗震性能。关键词：建筑抗震；钢结构；新型材料；一、前言高层建筑是社会经济发展和科技进步的产物。随着大城市的发展，城市用地紧张，市区地价日益高涨，促使近代高层建筑的出现，电梯的发明更使高层建筑越建越高。宏伟的高层建筑是经济实力的象征，具有重要的宣传效应，在日益激烈的商业竞争中，更扮演了重要的角色。1885 年建成美国芝加哥家庭保险公司大楼（HomeIuranc
2、eBuilding，10 层，高 55m） ，通常被认为是世界第一栋高层建筑。结构上没有承重墙，整个建筑的重量由金属框架支撑，圆形铸铁柱子内填水泥灰，1 至 6 层为鍛铁工字梁，其余楼层用钢梁。标准的梁距 5 英尺，支撑砖拱楼板。砖石外立面，窗间墙和窗下墙为砖石构造，象幕墙一样挂在框架之上。建筑史称它为”钢铁结构进化中决定性的一步”。高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化，而且在高度上也有大幅度增长。而一次又一次地震灾难及教训，警示人们：防震减灾任重道远，刻不容缓。从上个世纪开始，各国的专家、学者对抗震设计进行了一系列研究。进入 90 年代，结构抗震分析和设计已提到各国建筑设计的历史日程。特
3、别是我国处于地震多发区（地震基本烈度 6 度及其以上的地震区面积约占全国面积的 60%） ，高层抗震设计设防更是工程设计面临的迫切的任务。作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗震分析更处于非常重要的地位。二、在地震多发区应该采用何种结构体系或建筑材料较为合理应该得到人们的重视。历次地震表明，在同等场地、地震烈度（seismicintensity）条件下，钢结构房屋的震害要较钢筋混凝土结构房屋的震害小得多。以 1985 年 9 月墨西哥城大地震（里氏 8.1 级）的震害为例，其中倒塌和严重破坏的钢结构房屋为 12 栋，而钢筋混凝土房屋却有 127 栋。现在我国钢材产量已居世界前列，建筑钢材的类型及品
4、种也在逐渐增多，钢结构的加工制造能力已有了很大提高，因此在有条件的地方，建议尽可能采用型钢混凝土结构（SRC） 、钢管混凝土结构（CFS）或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。在超过一定高度后，由于钢结构质量较轻而且较柔，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨（钢管）混凝土，通常作为首选。工程经
5、验表明：利用钢管混凝土承重柱自重可减轻 65%左右，由于柱截面减小而相应增加使用面积，钢材消耗指标与钢筋混凝土结构相近，而工程造价和钢筋混凝土结构相比可降低 15%左右，工程施工工期缩短 1/2.此外钢管混凝土结构显示出良好的延性和韧性。对 20 世纪 90 年代几场大地震后的钢结构震害调查发现,以往抗弯框架的刚性连接方式并不能达到人们所预期的目的,甚至有较大的破坏,在此基础上,提出了采用翼缘削弱钢梁(RBS)的构造方式,来达到强柱弱梁的抗震目的,通过对以往大量试验和数值分析结果的研究,结合现行规范和工程实际要求提出了采用 RBS 的计算方法和构造方式。三、抗震性能优越的建筑结构与新型建筑材料
6、的应用。3.1 日本造出的蚕茧大厦是一座校舍建筑，外形酷似蚕茧，采用钢架结构，以独特的造型结构吸引分解外来冲击力，从而保障自身的稳固性。这座高达 203.65 米的超高校舍建筑地上有 50 层，地下 2 层，建筑面积 3541 平方米。这是由日本顶级建筑大师丹下健三(KenzoTange)的建筑设计事务所设计的，其灵感来自“蚕茧”，不仅外形具有蚕茧的形态，其间架结构也吸收了蚕茧的诸多优点。现代钢筋混凝土建筑对抗地震的办法大多是硬碰硬，通过加深地基、加强材料的坚固性和结构的稳固来保障大厦的安全。而蚕茧大厦却展示了一种另类思维以柔克刚，以独特的造型结构吸引分解外来冲击力，从而保障自身的稳固性。蚕茧
7、大厦的创新性外形和一流的立面设计处处体现了独特的魅力，因而赢得了 Emporis年度天楼奖。3.2 脊骨结构根据建筑布置条件可由支撑、外伸框架或单跨空腹梁构成，可采用全钢或钢筋混凝土组合体系。由于抗侧力构件沿高度连续，避免了薄弱楼层，有利于结构抗震，保证刚度和稳定的抗侧力构件是高层建筑的脊骨，包括竖向构件抵抗由倾覆力矩引起的轴力及由对角支撑或刚性连接的构件或抗侧力的墙组成剪离膜（Shearmembrane） ，一个脊骨结构包括位于建筑外端少数钢、混凝土或组合巨型柱，这些柱不应影响各楼层的使用。巨型柱由支撑、空腹桁架或刚性连接的外伸框架梁连接成为一个脊骨结构，以下是脊骨结构组成的几个要点。1.为
8、了有效的抗倾覆力矩及剪力，脊骨结构应当是上下贯通的。2.为了有效的抗倾覆力矩，巨型柱相距越远越好。3.脊骨结构主轴应与结构主轴相重合。4.楼板结构应能直接将楼层荷载传到巨型柱以提高抗倾覆能力。5.脊骨结构在平面上包括的面积应能提供良好的抗扭刚度，否则应附设周边框架。3.3 钢纤维混凝土是一种性能良好的新型复合材料，由于钢纤维阻滞带基体混凝土裂缝的开展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善。钢纤维对基体混凝土的增强作用随着纤维的体积含量、长径比的增大而增大，但在工程实际中，纤维含量有一定限值，超过这一限值，用一般方法搅拌、成型就有困难
9、。对于一般常用的钢纤维混凝土，其体积含量建议取 1.0%-2.0%，长径比建议取值。应用于一些结构部位（如柱梁节点、柱子、扁梁柱节点、桩基承台、屋面板、转换梁、筏形基础等） 。采用钢纤维混凝土梁柱节点的框架与普通钢筋混凝土框架相比，结构的延性提高 57%，耗能能力提高130%，荷载循环次数提高了 15%，在框架梁柱节点采用钢纤维混凝土可代替部分箍筋，既改善了节点区的抗震性能，又解决了钢筋过密，施工困难等问题。四、结语经济和安全的关系，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抗震设计发展的趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，应该成为地震区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徐宜，丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨(J.江苏建筑，20093胡志霞,抗震分析与设计在高层建筑结构中的应用J.现代商贸工业,2008.124傅学怡.实用高层建筑结构设计M.北京：中国建筑 I 业出版社，19995丰定国，王社良.抗震结构设计M.武汉：武汉理工大学出版社，2003
