浅谈高层建筑结构在地震作用下的受力特点及地震反应分析方法

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1.引言
地震由于其强破坏力和难预见性,对 人民生命财产安全造成了极大的威胁。中 国地处世界上两个最活跃的地震带之间, 是世界上多地震的国家之一。1976 年发生 的唐山大地震,震级达到里氏 7.8 级,震中 烈度为 11 度。直接经济损失近 100 亿元[1]。 我国 2008 年 5 月 12 日发生的汶川地震,震 中烈度 11 度,损失极为严重。地震作用对 于结构的影响很大,而高层建筑的地震反 应更加强烈,因此,加强对结构抗震研究具 有非常重要的意义。
工 程
中国科技信息 2009 年第 5 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2009
浅谈高层建筑结构在地震作用下的
受力特点及地震反应分析方法
刘海峰 青海建筑职业技术学院 810012
摘 要 介绍了高层建筑结构在地震作用下的受力特 点及目前高层建筑结构地震反应分析方法和 具体的适用用范围,为工程设计人员提供一 定的参考。 关键词 高层建筑;抗震概念设计;地震反应分析方法
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地震动加速度很大,结构也不会破坏。这 种方法只能适用于平面和立面都较为规 则、各结构构件的抗震性能也都相近的结 构,对于体形较复杂的高层建筑,则有较 大出入,应该采用动力方法即时程分析 法。采用时程分析法分析,可以较为准确 地反应复杂高层结构对地震作用的反应。
目前的地震反应分析方法都是选用已 有的地震动或者人工合成的地震动来计 算,即结构的地震反应分析是在某一确定 性的条件下进行的。虽然地震是随机的、 不确定的事件,但这并不能否认地震反应 分析的实用价值。地震反应分析是确定的 事件,它同时考虑了许多因素,如地震动 的峰值、频谱、持时、结构的动力特性 以及场地土的卓越周期等等,并且己被多 次实践证实是可靠的。
随着高层建筑的发展、社会审美能力 的提高,人们已经不能满足于原来的规则 齐整、千篇一律的建筑,于是体型复杂 的、不规则的高层建筑逐渐出现了。这一 方面由于使用功能、建筑方案和城市规划 等方面的需要,另一方面由于计算机技 术、结构计算程序和结构分析理论的发 展,也为复杂体型高层建筑的大量涌现提 供了技术基础,但是,随着复杂体型高层 建筑的大量出现,也产生了一些问题。 1960 年摩洛哥加迪尔地震中,一个倒置的 阶梯形建筑上部几乎全部坍塌。1971 年美 国 San Fernando 地震时,位于高烈度区 的 Olive-View 医院为框支剪力墙体系, 由于上下部分的抗侧刚度相差较大,上部 震害较轻,而下部震害较重,位移达 600mm。在我国唐山地震中,天津市一个 高 25 米的五层框架厂房,由于结构的较大 偏心,扭转振动非常强烈,从而引起了框架 中柱全部破坏。在 1995 年日本阪神地震中 破坏的高层建筑也大都是因为扭转及刚度 突变引起的。从上面的例子可以看出,结构 体系的复杂与不规则容易引起结构在地震 中产生严重破坏。因而,在条件允许的情况 下,要尽可能满足结构体型简单、规则、对 称等要求。
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构所受到的地震作用简化为作用于结构的 等效水平静力,结构所受到的地震力为
(1 )
式中:W 为结构重量,amax 为结构的静 力等效水平最大加速度( 即地面最大加速 度),k=amax / g 为地震系数。该理论假定 结构是绝对刚性的,所以结构任一点单位 质量所受的地震力都是相等的。
(2).反应谱方法:本世纪 40 年代,美 国学者 M.Biot 提出了利用已有的地震记 录来计算反应谱的概念。50年代初,G.W. Housner 将这一设想加以应用并且推广。 反应谱方法考虑了结构的动力特性(自振周 期和阻尼) 和地震动的动力特性之间的关 系,同时保持了原来的静力形式。结构所受 的最大地震基底剪力为:
V=k(T)W (2) 式中:β(T)为加速度反应谱 Sa(T)与 地震动最大加速度 a 之比,k 为地震动最大 加速度 amax 与重力加速度 g 之比。该方法 考虑了结构动力特性所引起的共振效应。 但是,反应谱方法并未考虑地震动持续时 间的影响,仍然将地震动引起的惯性力按 照静力来考虑,因而是拟动力方法。这一方 法只能适用于平面、立面都比较规则的结 构。 (3 ). 时程分析法( 动力方法):6 0 年 代以后,人们不仅记录了大量的地震动数 据。而且还获得了许多结构的地震反应记 录,尤其是一些遭到严重破坏的结构的地 震反应记录,这大大地促进了结构地震反 应分析方法的发展。该方法采用地震动的 加速度时程作为输入,来进行结构的地震 反应分析。该方法较为全面地考虑了地震 动的三要素一振幅、振型以及持续时间对 结构反应的影响。 由于反应谱分析法比较成熟,包括我 国在内的一些主要国家的抗震规范均将它 作为基本设计方法。我国现行的《建筑抗 震设计规范》(GB 50011-2001)和《钢筋 混凝土高层建筑结构设计与施工规程》 (JGJ3-2002),根据房屋的类型、高度和 结构平立面布置等状况对各类建筑结构计 算应采用的方法做了许多规定。但是,由 于反应谱方法不能考虑地震动持续时间的 影响,只能给出某一时刻结构所受到的最 大地震作用,所以不能反映地震动输入的 能量大小。如果地震作用时间很短,即使
3.2 高层建筑结构地震反应分析方法 一般来说,高层建筑的地震反应分析 方法可分为确定性分析方法和随机分析方 法两种。由于地震动是随机发生的,结构的 地震反应也是随机的,因而应该用随机振 动理论,通过概率统计的方法得到结构的 地震反应。但是由于建立完整的随机过程 模型十分困难,所以目前这方面的研究较 少。确定性的分析方法按照其发展历史可 以分为三类[ 4 ]: (1 ). 静力方法:这一理论由日本学者 大森房吉于 1990 年最早提出。该方法把结
总之,在了解高层建筑结构在地震作 用下的受力特点和地震反应分析方法的基 础上,在高层建筑结构抗震设计中,还要从 整体上遵循抗震概念设计的基本原则,从 结构的总体布置到细部构造,确保结构体 系可靠,结构体型、传力途径合理,使结构 具有较大的延性,在地震作用下具有较好 的抗震性能。
参考文献 [1] 吕西林,周得源,李思明.房屋结构抗震 设计理论与实践[M]上海:同济大学出版社. 1994. [2] GB 50011-2001.建筑抗震设计规范[S]. [3] JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术 规程[S]. [4] 刘大海,杨翠茹,钟锡根.高层建筑抗震 设计[M] .北京:中国建筑工业出版社. 2004.
3.高层建筑的地震反应分析方法
3.1 抗震设防的三水准、二阶段 地震是多发性的,一个地区在未来一 定时期内可能遭遇的地震将不止一次,烈 度或高或低。当今我国的建筑抗震设计,
是采用以概率理论为基础的多水准设计方 法。根据唐山、海城地震经验,并参考 国外抗震设计思想,我国抗震规范对建筑 的抗震设防提出“三水准、两阶段”的 要求,“ 三 水 准 ”即“ 小 震 不 坏 、中震 可 修 、 大 震 不 倒 ”。 其 具 体 内 容 是 :
4 、结语
木兰溪大桥¢3.0m 钻孔桩施工中,水 文地质情况复杂,成孔质量要求高(设计 允许孔位偏差 10mm,规范允许孔位偏差 为 5 0 m m;沉渣厚度为 1 0 m m ),施工 难度大,经过对钻孔施工的工艺不断改进 和严格控制,施工的进度和质量均得到了 有效的控制,两根桩基经超声波检测均一 次合格(I 类桩),为木兰溪大桥上部异型钢 箱拱桥施工打下了坚实的基础。
(1 ). 遭遇第一水准烈度地震(多遇地 震)时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处 于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或 者不需要修理仍可继续使用。
(2 ). 遭遇第二水准烈度地震(设防烈 度,也就是基本地震)时,结构屈服进入非 弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度 的破坏,但经一般修理或者不需修理仍可 继续使用。
(3 ). 遭遇第三水准烈度地震(罕遇地 震)时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹 性变形与结构的倒塌尚有一段距离。不至 倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而 保障了人员的安全。
三个水准烈度的关系:不同超越概率 下的地震影响烈度,即“小震(50 年超越 概率为 63.2% 的地震烈度)”、“中震(50 年 超越概率为 10% 的地震烈度)”、“大震(50 年超越概率为 2~3% 的地震烈度)”之间的 关系大致为 1~1.55,1,1+1.0 的关系。
3 . 5 、混凝土浇筑 桩基水下砼浇筑原设计建议采用¢ 3 5 0 m m 的导管进行浇筑,在浇筑前,考 虑到桩基的孔径较大,为确保浇筑的混凝 土能扩散到孔桩四周,最初设想采用两根 导管同时浇筑,这样就可大大增加导管内 混凝土的扩散范围,确保浇筑质量,但又 担心采用两根导管同时浇筑时,两根导管 之间可能会夹杂泥浆,影响混凝土的内在 质量;另一方面,采用两根导管需同时采 用两个漏斗,也需增加一台机械进行浇 筑,现场的场地也非常有限,同时施工难 度也非常大,后将导管的直径加大到¢ 450mm,经对比,直径¢450mm 的导管 是直径¢350mm 导管流量的 1.6 倍之多, 导管内混凝土可完全扩散到桩基四周,施 工又比较简便,因而采用加大导管直径的 方法进行混凝土浇筑。 在混凝土的浇筑过程中,我们经常性 的对桩基四周及中部砼高度进行量测对 比,混凝土完全可扩散到桩基四周,且桩 基四周混凝土的上升速度与中部混凝土的 上升速度也基本保持一致。整个浇筑过程 还是比较顺利。
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2.高层建筑结构在地震作用下的特 点
对于一般的单层或多层建筑,以重力 为代表的竖向荷载对结构起着控制作用; 而对于高层建筑来说,尽管竖向荷载对结 构仍起着重要作用,但水平荷载对于结构 的影响越来越大。这主要因为竖向荷载引 起在竖向构件中的轴力和弯矩仅与建筑高 度的一次方成正比,而水平荷载引起的轴 力和弯矩与建筑高度的平方成正比;并且 建筑的顶点位移几乎与高度的四次方成正 比,存在着“鞭梢效应”。所以地震力对高 层和超高层建筑的影响是非常巨大的。
地震荷载属于动力荷载,不同于静力 荷载。静力荷载与结构的刚度基本上没有 关系;而地震所产生的动力荷载的大小与 结构自身的特性密切相关,结构的质量与
刚度的变化将直接影响地震作用的强弱。 所以一般要求设计时合理布置建筑的平面 和立面。平面要简单、规则、均匀、对称, 不宜有较大的凹进凸出,避免过大的外挑 内收等等。这些要求在我国的抗震规范、规 程[2],[3] 和国内外许多文献中都有提及,并 且在高层建筑的早期严格执行。
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设计要求。 3 . 4 、钢筋笼加工及安装 本桩基钢筋笼长 47.5m,重达 55t,在
加工时,将其分成4 段进行加工,每段重量 为 14 吨左右。钢筋的加工与普通的钢筋笼 加工一样,这里不作详述。
在孔桩终孔及清孔完成后,即可安装 钢筋笼。钢筋笼安装时在前三节采用一部 5 0 t 汽车起重机进行起吊安装,在施工最 后一节钢筋笼整体起吊时,采用一部 5 0 t 汽车起重机和一部35t汽车式起重机联合抬 吊,将钢筋笼起吊入孔。
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