抗震动力计算

2024-08-30

抗震动力计算（精选2篇）

抗震动力计算篇1

一、前言

高层建筑一直是人们追求居住空间发展的一个方向, 从上世纪80年代开始, 我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面得到了迅速发展。特别是近年来, 随着各大中城市城镇化发展的需求, 建设用地需求不断扩大, 城市发展和耕地保护的矛盾日益突出。国家在相关土地审批政策上开始鼓励各大中城市发展高层建筑, 以节约开发土地的浪费。城市发展格局的变化也需要高层建筑甚至是超高层建筑。在很多城市, 高度100 m以上的高层建筑越来越多, 如深圳的地王大厦 (385.95 m) 、上海的金茂大厦 (443 m) 等。但是随着高层建筑的发展, 也给我们带来了一个严峻的问题。特别是近几年地震、洪水、龙卷风等自然灾害的频发, 使得人们对于高层建筑的抗震性能思考越来越重视。高层建筑对于空间利用有着很好的优势, 但是由于建筑的利用效果影响较之普通低层建筑的影响面积更大。一旦有质量问题, 后果非常严重。因此, 我们必须认真分析研究高层建筑的抗震设计。下面, 就对此问题进行了理论分析。

二、建筑抗震的设计理论分类与理论影响因素分析

建筑结构抗震规范是指导建筑抗震设计的法定文件, 是各个国家根据抗震实践经验做出的科学理论指导, 反映了国家经济与建设的水平。抗震设计是建筑安全的基础, 在我国必须要严格强制执行, 不允许有变通或更改。

1. 抗震设计的理论分类

(1) 拟静力理论

这套理论是假定结构为刚性, 震力作用在结构中心位置的一种理论, 始行于20世纪初。在进行设计时, 地震力的大小是通过按照结构的质量乘以常数 (地震系数) 来进行估算的。

(2) 反应谱理论

通过对强地震动加速度的观测记录的增多, 并根据对地震地面运动特性的进一步了解。以结构动力反应特性的研究为基础, 在上世纪五、六十年代发展起来的理论。

(3) 动力理论

是在反应谱理论基础上, 基于计算机技术和实验技术的发展, 对各种结构在地震作用下线性与非线性的反应过程有了较多的了解后, 在上世纪七十年代发展起来的一种理论, 也称地震时程分析理论。它是把地震作为一个时间过程, 以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, 计算到了每一时刻建筑物的地震反应, 从而完成了抗震设计工作。

2. 理论影响因素分析

影响地震动力的因素有很多方面, 主要包括水平载荷、轴向变形、侧向位移和结构延性四个方面。

(1) 水平载荷是其中的决定因素

高层结构同时承受着竖向载荷和水平载荷两种作用。在外力作用下, 水平载荷产生的内力和位移远大于竖向。这是因为, 建筑物综合质量在竖构件中的轴力和弯矩只与楼高的一次方成正比;在相同作用下, 水平荷载对结构产生的倾覆力矩, 和由此在竖构件中引起的轴力与楼房高度的两次方成正比关系。因此, 在楼房高度一定的情况下, 竖向荷载基本上是一定的。而在地震作用中, 水平荷载的风荷载和地震动力作用的数值随着结构动力的特性不同而发生了较大变化。由于载荷对结构产生的内力随着建筑物的高度增加而变化, 因此随着建筑物高度的增加, 水平载荷产生的内力和位移也在迅速增大。

(2) 结构延性是一项重要的设计指标

为了使高层建筑具有良好的抗震性能, 做到“小震不坏, 大震能修”, 就要求结构必须具有较好的延性。通过较强的变形能力, 吸收地震作用下产生的能量, 维持结构一定的承载力。

(3) 轴向变形也是不容忽视的一个指标

高层建筑中的竖向荷载能够在柱中引起较大的轴向变形, 影响连续梁中间支座处的负弯矩, 使之变小。而跨中正弯矩和支座负弯矩值的增大, 还会对构件剪力和侧移产生影响, 影响结构安全。高层结构竖向构件的变位影响因素有弯曲变形、轴向变形及剪切变形三项。建筑物的高度越高, 轴力值越大, 轴向变形就会增大, 影响着高层建筑物结构内力数值的大小与分布。

(4) 侧向位移是一项控制指标

随着楼房高度的增加, 结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。并且, 结构顶点的侧移与建筑高度的四次方成正比。楼高越高, 水平荷载下结构的侧移变形就迅速增大。因此, 高层建筑的结构在设计时除了要考虑足够的刚度外, 还必须有足够的抗侧移强度。只有将结构在水平荷载作用下的侧移控制在一范围内, 才能保证建筑物的抗震能力。

三、高层建筑结构抗震设计的动力分析

1. 高层建筑的结构体系分类

(1) 框架—剪力墙体系

它是以框架内适当位置设置剪力墙的方式, 弥补框架体系的强度和刚度不足。体系中的框架主要承受垂直荷载, 剪力墙承受水平剪力。这种体系的能建高度要大于框架体系。

(2) 剪力墙体系

它是受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成的结构体系, 属刚性结构, 有一定的延性。传力均匀, 整体性好, 刚度大。能建高度大于框架或框架-剪力墙体系。

(3) 筒体体系

它是抗侧力构件采用筒体的结构体系, 包括单筒体、筒中筒、筒体-框架、多束筒等多种型式。具有很大的刚度和强度, 抗风、抗震能力很强, 普遍应用于大跨度或超高层建筑。

2. 高层建筑的抗震设计理念

我国的《建筑抗震规范》对建筑的抗震设防提出了“三水准、两阶段”的要求。“三水准”是指“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”。“两阶段”是指当遭遇第一设防烈度地震, 建筑物不受损坏或不需修理而能够保持正常使用状态;当遭遇第二设防烈度地震时, 建筑物可能会出现一定程度的损坏, 经一般修理或不需修理还可以继续使用;当遭遇第三设防烈度地震时, 结构虽然破坏较重, 但不致倒塌或者发生危及生命的损坏。

对建筑抗震的“三水准”设防要求, 是通过“两阶段”设计来实现的。在设计中, 首先要采用与第一水准烈度相应的地震动参数。引入承载力抗震调整系数, 计算出结构在弹性状态下的地震作用效应, 进而进行构件截面设计。需要采用同一地震动参数来计算出结构的层间位移角, 并采用相应的抗震构造措施, 使其不超过抗震规范的限值。使结构具有足够的变形能力、延性和塑性耗能, 满足第二水准的变形要求;其次, 是采用与第三水准相对应的地震动参数, 计算出结构的弹塑性层间位移角, 使之小于抗震规范的限值。并采用必要的抗震构造措施, 从而满足第三水准的防倒塌要求。

3. 高层建筑结构的抗震设计动力分析方法

(1) 基础设计

高层建筑的基础抗震设计是非常重要的, 它是建筑的安全性保障条件。通常在基础设计中, 会采取钢筋混凝土连续地基梁形式, 这就要求在地基梁的高度和钢筋用量上要重点控制。使用主筋、肋筋、腹筋、基础筋、和基础辅筋相结合, 充分发挥钢筋的抗拉性能, 提高混凝土的抗压性。并使用抗酸化混凝土和增加钢筋的保护层, 来防止钢筋生锈腐蚀。同时, 可以采用钢制垫块作为高层建筑基础与上部结构柱的连接构件。起到隔离作用, 防止结构体的锈蚀。

(2) 墙体设计

采用外墙结构柱和两侧外墙板钢框架结合的“三合一”形式, 充分利用钢框架墙体对垂直和水平方向的载荷的补强作用, 可以提高结构的承载力。同时, 结构的方式变化也使建筑物的抗侧力和抗变形力得到了大大提高, 有效地提高了抗震能力。

(3) 骨架设计

在骨架的抗震设计中, 为了避免在地震时, 由于地震力的作用使钢架底部折断。根据动力分析原理, 可以在钢架结构底部的梁柱进行加强, 改善梁柱的抗拉、抗震和耐久性。底部一、二、三层的梁柱可以作为加强技术的重点部位, 可以有效的提高地震时底部的稳定性。既弥补了传统焊接方式易断裂的缺陷, 又达到了强化结构抗震性的目的。

四、结语

随着高层建筑进一步的发展, 高层建筑在形式、力学分析模型和材料使用上都日趋复杂, 结构设计是否合理、对于抗震性能的需要, 是在高层建筑的设计中、革新高层建筑、满足高层建筑的结构新颖的基础上, 切实保证质量安全的重点研究课题。利用抗震动力分析, 全面、科学合理的研究高层建筑的力学因素, 能够促进高层建筑的健康发展。

摘要：高层建筑是近几年发展较快的建筑模式, 它适应了城市发展空间的需求。但是, 在对抗自然灾害的抗震设计中就提出了一个严峻的课题。本文就根据高层建筑的结构特点, 对抗震设计进行了理论分析。

关键词：抗震,高层建筑,动力分析,结构设计

参考文献

[1]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场, 2006 (02) .

[2]梅洪元, 付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究[R].高层建筑与智能建筑国际学术研讨会, 2002.