高層建筑剛度對抗震設計的影響

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摘要：隨著社會的不斷進步，城市化進程加快，城市生活空間逐步減少，越來越多的建筑傾向于高層建筑。在建筑高層建筑時，人們首先會考慮其抗震性能，高層建筑的抗震設計是高層建筑設計的重點，高層建筑的基礎剛度與整棟高層建筑的抗震性能具有較高的關聯性。文章主要分析了高層建筑基礎剛度對高層建筑抗震設計的具體影響，希望為高層建筑設計師合理規(guī)劃基礎剛度、提高抗震性能提供科學的理論依據和參考。

關鍵詞：高層建筑；抗震設計；基礎剛度

為了確保高層建筑具有足夠的抗震能力，減少地震對高層建筑的損害，在進行高層建筑選址與設計時，應確保選址地根基合適，并運用相關的地基處理方法，最大限度地加強高層建筑地基的承受能力[1]。此外，將建筑選址地地基基礎剛度也劃定到抗震設計范圍內，可以有效提高高層建筑的質量。發(fā)生地震時，通常經由巖土傳播，不同的地基密實度可以直接影響地震的內力分布以及對建筑的沖擊。目前高層建筑抗震設計中容易出現的問題主要集中在高層建筑地基場地的選擇和高層建筑基礎形式的選擇上。城市化進程的不斷推進在一定程度上造成了城市住房數量遠不能滿足人們需求的情況。為了提高對有限用地空間的利用程度，給居民提供更多住房，高層建筑越來越多[2]。相比傳統(tǒng)建筑，高層建筑的選址要求更高，應盡量選擇地基土質較堅硬或者土質均勻的中硬土區(qū)域，確保地基具有良好的穩(wěn)定性及荷載能力。不同的高層建筑所采用的基礎形式種類不同，一般會根據所要建造的高層建筑特點以及所選擇的場地合理調整基礎型式，合適的高層建筑基礎型式不僅能提升其抗震性能，還能在一定程度上降低建造成本。

1基礎剛度對高層建筑抗震能力的影響

基礎剛度會對高層建筑的抗震能力產生較大的影響。當結構側移剛度減小時，地震作用也會減小，如果同時增大側移剛度，當發(fā)生地震時，會增大建筑結構位移。以某高層建筑為例，該建筑采用挖孔樁基礎，通過排成排的方式形成抗震性防護，其基礎剛度最小設計值和最大設計值分別為0.5K和2.0K，控制實際基礎剛度值不超過該范圍。對建筑框架結構自振周期進行分析可以發(fā)現，自振周期會隨著基礎剛度的減弱而增大，與基礎嵌固增大值相比更為明顯。通過計算可知，樓層剪力會隨著高度的增加而減小，傾覆力矩與建筑層高變化也呈負相關關系。當基礎剛度值為最小設計值時，建筑結構將會呈現最大的水平位移。受基礎剛度影響，框架結構在地震時會出現轉動、平動位移現象，柱底層轉動、邊柱軸向變形轉動都屬于基礎轉動，排除柱底層轉動的影響，邊柱軸向變形所產生的數值變化除以結構寬度所得的商值便是地基轉動角。將剛體平動、整體轉動的影響排除在外，樓層越高，其豎向結構水平位移越大，三層以下層間位移隨著層高的升高而增大，三層及以上層間位移隨著層高的升高而減小。立足于基礎剛度角度，在估算建筑底層框架上層彎矩時，如果估算值較小，則難以保證建筑結構抗震能力的良好性。

2基礎剛度對高層建筑抗震設計中結構側移剛度的影響

作為高層建筑物建筑結構的固有特性，建筑結構的側移剛度主要是指建筑結構在遭受水平作用沖擊時抵抗建筑物側向位移的剛度。如果將高層建筑物的建筑結構看作是一根豎向懸臂梁，并且這根豎向懸臂梁的底部具有一定的剛度約束作用，那么在水平方向的作用力下，高層建筑結構頂部的側移值主要由高層建筑結構頂點水平位移及結構頂部附加位移兩部分組成，其中結構頂部附加位移是由結構基礎平移和扭轉變形造成的；但是有一點沒有考慮在內—即使不受外力作用，高層建筑結構自身也有可能存在扭曲變形。若將基礎剛度考慮在內，在進行抗震設計時，高層建筑的結構側移剛度會降低，整個結構會發(fā)生平動側移的情況，結構頂點的相對側移也會變大。如果高層建筑結構的計算分析是通過嵌固端模型完成的，當發(fā)生地震時，受人為因素影響，結構下端的側移剛度的層間位移角會超出實際值。由此可見，在抗震設計過程中，從建筑結構安全性角度分析，應適當增大底部結構的延性能力。同時，受基礎剛度的影響，可能會出現建筑結構的實際鋼比重小于嵌固端模型的情況，對此，應從P-Δ效應及結構穩(wěn)定性方面分析，有效控制重力二階效應帶來的建筑結構位移，確保建筑具有良好的抗震性及安全性。

3基礎剛度對高層建筑抗震穩(wěn)定性的影響

對高層建筑抗震設計而言，在考慮基礎剛度的影響時，還需從宏觀角度入手，將基礎剛度的剪力墻結構視作豎向懸臂梁，判斷軸心受壓桿件彎曲失穩(wěn)時其所具備的最大承載能力，并在此基礎上，確定豎向彎曲型懸臂桿是否有良好的穩(wěn)定性，了解基礎剛度對高層建筑抗震穩(wěn)定性的具體影響。結構荷載呈倒三角分布，基礎剛度彎曲結構在其作用下，會呈現受力情況，同時產生一定的位移，除了自身的重力荷載，基礎剛度結構上分布有水平荷載，不僅會有力的作用，而且還會發(fā)生位移，這些都會對抗震穩(wěn)定性產生一定的影響。另外，高層建筑的基礎剛度值并不是一個無窮大的數值，而是在一定的范圍內變化。如果高層建筑的基礎剛度值降低，會直接影響其整體結構的穩(wěn)定性。不同的高層建筑在進行抗震設計時應選取不同的基礎剛度值，確保高層建筑結構的穩(wěn)定性滿足抗震需求。

4結束語

文章主要從三個方面闡述了高層建筑基礎剛度對抗震設計的影響，包括對高層建筑抗震能力的影響、對結構側移剛度的影響以及對高層建筑抗震穩(wěn)定性的影響。在進行高層建筑物抗震結構設計時，必須將建筑物的基礎剛度作為重要的考慮指標，最大限度地提高高層建筑物的抗震性能，增強其穩(wěn)定能力。

參考文獻：

[1]武旭,王明明.淺析基礎剛度對高層建筑抗震設計的影響[J].綠色環(huán)保建材,2019(4):88+90.

[2]徐利華.基礎剛度對高層建筑抗震設計的影響分析[J].甘肅科技縱橫,2018,47(11):53-55.

作者:張詩濤 單位:遼寧城建設計院有限公司