高层建筑结构有关抗震设计的分析与解决.doc

武汉大学科研训练 高层建筑结构有关抗震设计的分析与解决 姓名： 罗芳 班级： 土木1 学号： 65485114 指导老师：宋换老师 高层建筑结构有关抗震设计的分析与解决 罗芳 武汉大学 土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430023 摘要：高层建筑和常规建筑在进行抗震设计方面，是有很大区别的，因为高度的不同，其抗震工作的复杂程度，还有周围的环境也就不尽相同。在对高层建筑进行抗震方面的设计中，一定要从宏观方面对其进行具体的量化处理，而在抗震内容的分析上，以及模型的使用和参数的分析中，还存在一些问题，本文旨在基于抗震内容及解决做进一步的分析。 关键词： 设计原则 高层建筑结构 抗震分析 优化设计1、引言随着我国经济的快速发展，建筑行业也取得了很大的成就，在经济和社会的不断发展进步中，人们对高层建筑结构有了更高的要求，对建筑在抗震性能方面，也投入了越来越多的目光，在高层建筑中，安全是首要的施工目标，在地震发生的时候，确保人的生命财产安全至关重要，下面就对这方面的内容进行分析。从目前我国高层建筑抗震设计的基本思路入手，对高层建筑结构抗震设计要点进行了分析，并着重论述了高层建筑抗震设计中存在的问题，以促进建筑业的进一步发展。2、高层建筑抗震结构设计的基本原则 “小震不坏、中震可修、大震不倒”作为结构抗震设防的三水准要求的具体含义是：“小震不坏”是第一水准要求，要求建筑结构在多遇地震作用下均满足承载力极限状态和建筑结构的弹性变形不超过规定值；即：能保障人们的生产、生活等各项社会活动的正常进行。“中震可修”为第二水准要求，要求建筑结构具有一定的变形能力，不会发生不能修复的脆性破坏，结构的延性满足规范的抗震措施和抗震构造措施；即：保障人的生命安全和减小经济损失。“大震不倒”为第三水准，要求建筑结构有足够的变形能力，强烈地震时弹塑性变形不超过规定限值；即：避免倒塌，保障生命的安全。第一水准为承载力验算阶段，适用于大多数结构，如规则的结构及一般不规则结构。第二、第三水准为弹塑性变形验算阶段，适用于在强震时容易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构及有特殊要求的结构。结构抗震设计中，“小震不坏”通过其自身的抗震承载力实现，而“大震不倒”主要依靠结构构件的延性来保障。因此要求结构构件必须具有足够的延性。即结构构件屈服后，其本身承载力不降低或基本不降低，并且有足够变形能力，用延性来吸收和耗散地震的能量，以保证建筑结构的安全可靠。结构构件除具有必要的延性外，还应具有足够的承载力、刚度和稳定性。结构构件的关键部位遵循“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件”的设计原则。对可能出现薄弱层的部位，采取措施提高其抗震能力。还有结构构件在设计时应具有多道防线，多道防线对结构在强烈地震下的安全是非常重要的。3、工程算例工程概况：某工程为框支剪力墙结构，共27层（包括二层地下室），第六层为框支转换层。结构三维轴测图、第六层及第七层平面图如图1所示（图略）。该工程的地震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.3g。113层X向刚度比的计算结果：由于列表困难，下面每行数字的意义如下：以“”分开三种刚度的计算方法，第一段为地震剪力与地震层间位移比的算法，第二段为剪切刚度，第三段为剪弯刚度。具体数据依次为：层号，RJX，Ratx1，薄弱层RJX，Ratx1，薄弱层RJX，Ratx1，薄弱层。其中RJX是结构总体坐标系中塔的侧移刚度（应乘以10的7次方）；Ratx1为本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70的比值或上三层平均刚度80的比值中的较小者。具体数据如下：1，7.8225，2.3367，否13.204，1.6408，否11.694，1.9251，否2，4.7283，3.9602，否11.444，1.5127，否8.6776，1.6336，否3，1.7251，1.6527，否9.0995，1.2496，否6.0967，1.2598，否4，1.3407，1.2595，否9.6348，1.0726，否6.9007，1.1557，否5，1.2304，1.2556，否9.6348，0.9018，是6.9221，0.9716，是6，1.3433，1.3534，否8.0373，0.6439，是4.3251，0.4951，是7，1.4179，2.2177，否16.014，1.3146，否11.145，1.3066，否8，0.9138，1.9275，否16.014，1.3542，否11.247。1.3559，否9，0.6770，1.7992，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否10，0.5375，1.7193，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否11，0.4466，1.6676，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否12，0.3812，1.6107，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否13，0.3310，1.5464，否14.782，1.2500，否10.369，1.2500，否注1：SATWE软件在进行“地震剪力与地震层间位移比”的计算时“地下室信息”中的“回填土对地下室约束相对刚度比”里的值填“0”；注2：在SATWE软件中没有单独定义薄弱层层数及相应的层号；注3：本算例主要用于说明三种刚度比在SATWE软件中的实现过程，对结构方案的合理性不做讨论。计算结果分析按不同方法计算刚度比，其薄弱层的判断结果不同。设计人员在SATWE软件的“调整信息”中应指定转换层第六层薄弱层层号。指定薄弱层层号并不影响程序对其它薄弱层的自动判断。当转换层设置在3层及3层以上时，高规还规定其楼层侧向刚度比不应小于相邻上部楼层的60。这一项SATWE软件并没有直接输出结果，需要设计人员根据程序输出的每层刚度单独计算。例如本工程计算结果如下：1.3433107（1.4179107）94.7460满足规范要求。地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端的判断：a)采用地震剪力与地震层间位移比4.7283107（1.7251107）2.742地下室顶板能够作为上部结构的嵌固端b)采用剪切刚度比11.444107（9.0995107）1.252地下室顶板不能够作为上部结构的嵌固端SATWE软件计算剪弯刚度时，H1的取值范围包括地下室的高度，H2则取等于小于H1的高度。这对于希望H1的值取自0.00以上的设计人员来说，或者将地下室去掉，重新计算剪弯刚度，或者根据程序输出的剪弯刚度，人工计算刚度比。以本工程为例，H1从0.00算起，采用刚度串模型，计算结果如下：转换层所在层号为6层（含地下室），转换层下部起止层号为36，H1=21.9m，转换层上部起止层号为713，H2=21.0m。K1=1/(1/6.0967+1/6.9007+1/6.9221+1/4.3251)107=1.4607107K2=1/(1/11.145+1/11.247+1/10.369)107=1.51321071=1/K1 ； 2=1/K2则剪弯刚度比e=(1H2)/(2H1)=0.9933结论 ：关于三种刚度比性质的探讨地震剪力与地震层间位移比：是一种与外力有关的计算方法。规范中规定的ui不仅包括了地震力产生的位移，还包括了用于该楼层的倾覆力矩Mi产生的位移和由于下一层的楼层转动而引起的本层刚体转动位移。剪切刚度：其计算方法主要是剪切面积与相应层高的比，其大小跟结构竖向构件的剪切面积和层高密切相关。但剪切刚度没有考虑带支撑的结构体系和剪力墙洞口高度变化时所产生的影响。剪弯刚度：实际上就是单位力作用下的层间位移角，其刚度比也就是层间位移角之比。它能同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响，但没有考虑上下层对本层的约束。三种刚度的性质完全不同，它们之间并没有什么必然的联系，也正因为如此，规范赋予了它们不同的适用范围。4、高层建筑基于性能的抗震设计方法4.1基于性能抗震设计的基本步骤 基于性能的抗震设计在实际实行的过程中，必须要按照工程实际的情 况对其进行处理，比如设防烈度、建筑的高度和建筑立面的形式等等。此外在 这一过程中还要充分的考虑到业主对建筑抗震性能的实际需要，以及自身 的经济水平，之后才能设定一个相对比较科学合理的目标，并按照其设计的 基本步骤逐步操作。基于性能抗震设计的基本步骤流程图如图 1所示。4.2超限高层结构抗震性能目标的设定和选用 建筑物的抗震性能目标通常就是指在设定了地震作用等级的条件下，结构自身的预期性能水平。不同标准下抗震性能目标和性能水准示意图如 图 2所示 。 实际工程中的超限高层建筑可根据具体建筑的场地条件、设防烈度、建 筑高度及建筑不规则及建筑超限程度，综合业主对建筑的建造成本、建筑重要性及震后损失、修复等方面的考虑，参考图2选择合适该超限工程的性能目标。 需要注意的是：建筑的超限程度对结构的延性变形能力会产生直接的 影响，而结构的延性变形能力与其承载力要求成反比关系，即：结构及构件的 承载力较高，对其延性变形能力要求则较低；结构及构件的承载力较低，对其 延性变形能力的要求则较高。超限高层建筑结构抗震设计应根据建筑高度 的超高情况及结构不规则程度，在考虑提高结构承载力和延性变形能力时， 应注意两者的协调从而选择既合理又能保证结构安全抗震性能手段。 5、新型方法结构振动控制5.1结构振动控制的基本概念高层建筑设计日益趋于向高度增加、强度加大、质量相对减轻、经济造价相对降低、舒适度增加的方向发展。但因结构高度上升，刚度、阻尼下降，在风、地震荷载作用下，结构摆动加大，影响正常使用，如遇强烈地震，水平位移过大会造成建筑倒塌。传统上，高层建筑抗风、抗震设计，通常是利用自身的能力来耗散振动能量的，如加大构件的截面尺寸、增加结构刚度或提高材料的强度等级等，但这种方法造价高、经济效益差。而结构振动控制的目的就是要采用一定的控制措施，减轻和抑制结构在地震、强风及其他动力荷载作用下的动力反应，增强结构的动力稳定性，提高结构抵抗外界振动的能力，以满足结构安全性、实用性、经济性的功能要求。结构振动控制设计比传统的通过提高结构自身刚抗震的设计方法有巨大的优越性，具有不同的设计概念和理论。5.2结构振动控制的分类 第一类：被动控制 第二类：主动控制 第三类：半主动控制 第四类：混合控制6、总结在现代化进程高速发展的今天，高层建筑的发展也突飞猛进。建筑造型独特新颖的建筑，规模和高度也在不断增加。随着建筑业的进一步发展，满足高层建筑的材料、形式、整体力学模型都将趋于复杂和多元化，这就要求每个结构工程师要有过硬的专业知识、清晰的概念分析和熟练掌握处理问题的能力，不断的探索和研究，为我国建筑业的发展贡献自己的力量。基于高层建筑抗震方面的设计，无论任何时刻其重要性都毋庸置疑。 参考文献1兰盛磊某 300米超高层建筑结构基于性能的抗震设计 D西南交通大学2014(O5)2李昆麟 中美高层建筑结构基于性能抗震设计规范之对比J福建建设科技2012(O9)3方虎生某超限高层结构分析设计D 广东建材，2007(05)4朱炳寅建筑抗震设计规范应用与分析M中国建筑工业出版社，2011（06）5蔡静敏某超限高层建筑结构抗震超限设计与分析D华南理工 大学2013(11)6张婷基于性能剪力墙结构抗震评估与应用 D河北工程大学2013(01)7何铭基 带转换高层框架结构基于变形和损伤的抗震性能评估方法研究 D华南理工大学2013(04)