建筑物在风荷载及地震作用下的简化设计

建筑物在风荷载及地震作用下的简化设计

琚利岭

琚利岭

身份证号码：1302211985****0078

摘要：随着结构高度的增加，水平荷载对于结构的影响急剧增加。在高层钢结构建筑的设计过程中，由于高度的增加，结构刚度减小，风荷载与地震作用将使得结构产生过度的振动和变形。尤其是对于现在一些体型独特并具有高柔特性的高层建筑，对风荷载比较敏感，当建筑位置位于沿海地区时，若考虑台风作用，风荷载在结构设计中将起到控制作用。同时为了满足使用功能和艺术审美的双重需求，高层钢结构建筑在不断发展过程中，不仅高度逐渐增加，建筑体型和结构布置也日趋复杂多变。当另一项十分严重的自然灾害——地震发生时，这种高层建筑有可能会发生严重的次生灾害。因此针对此类建筑物在地震作用下的性能分析和优化设计就显得十分必要。

关键词：建筑物；风荷载；地震作用；简化设计

1高层建筑风荷载作用与抗风设计

1.1风荷载作用

1.1.1风荷载的形成

风指的是空气的水平运动，一般是由气压高处向气压低处流动而形成。太阳的辐射热在地球周围的分布不均匀使得大气是不断运动的。大气是物质，自然就有能量，从地表面一直向上的整个大气柱对它下面的地表面和物体便有压力，单位面积上承受的这种压力，叫做气压。各个地方大气压有高有低，例如一个地方上面的空气冷，密度就大，气压也就大些；另一个地方上面的空气暖，密度就小些，气压也就小些，这样，空气就从气压大的地方向气压小的地方流动。因此风产生的直接原因是气压在水平方向上的不均匀分布。风速的主要部分是大小和方向保持不变的平均风，另外叠加一部分在方向和大小上不断变化的脉动风。表征风特性的参数包括：（1）平均风速剖面；（2）紊流风速剖面；（3）脉动风速谱以及（4）湍流积分强度等等。可以根据伯努利方程由风速来确定风压。风压对于结构或构件将产生过大的内力和不稳定，使得结构物产生过大挠度或者变形，有可能引起外墙和装饰材料的破坏。

1.1.2风荷载的组成与特性

风荷载对于建筑物的作用是一个随机的过程，其包括三个部分：平均风压产生的平均力，脉动风压所引起的随机脉动力以及由于风致建筑物振动产生的惯性力。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，由于风的长周期远远大于结构的自振周期。可等效为静态作用处理，应用结构静力计算。脉动风的强度是随时间按随机规律变化的，由于周期较短，应用随机振动理论进行分析。

2建筑结构设计中的抗震设计

何为抗震设计呢，抗震设计就是根据以往的地震作用，收集房屋破坏的数据进行经验分析，然后再结合当前现行的设计规范，结合先进的理念与标准，对在建的房屋进行抗震计算，并增加抗震构造措施，以保证建筑物在地震来临时的安全性与稳定性，设计人员在设计的时应当根据建设单位的具体要求，在规范要求下进行设计，保证建筑结构在使用过程中能够抵御地震带来的强烈作用，保证建筑结构的安全与稳定。在设计中，首先设计人员应当考虑地震中地面运动对地基基础带来的强烈影响，计算不同等级的地震给予建筑结构的作用力，并且根据地震力制定相应的设计参数，如果规范中没有相应的参数，则应当通过实验对参数进行确定。以此来对结构的构件进行外形设计、配筋设计、连接设计等等，保证在地震灾害下建筑物还有一定的正常使用功能，或者保证建筑内部空间结构的安全。

3建筑物抗震设计要点

3.1加强短柱的受压承载力

在建筑结构抗震设计中，通过加强短柱的受压承载力可以有效的降低柱截面面积，提高剪跨比，完善建筑结构的抗震性能。而最常使用的减少柱截面和提高剪跨比的措施就是加强混凝土结构的强度等级，通过高强混凝土材料的应用，改善短柱的承载能力，减少轴压比。不过在使用高强度混凝土材料时，由于其自身的延展性较差，需要配合其他处理技术，来增强结构的综合性能。另外，在建筑结构抗震设计中，也可采用钢骨和钢管混凝土柱的方式提升短柱的受压承载力。

3.2完善建筑立面、结构竖向布置抗震设计

结构体系的外形设计和结构刚度的变化均会使楼层发生较为严重的变形，主体结构竖向布置的过程中也需要注意多方面的内容：结构侧向刚度自下而上逐渐减小。为有效规避软弱层，应采取有效的措施避免上下层刚度发生突变。框架结构的楼层与相邻上层的侧向刚度比应在0.7以上，与相邻三层的平均侧向刚度比需在0.8以上。在框剪结构中，楼层与相邻上层的刚度比在0.9以上，底层嵌固层的刚度比在1.5以上。结构中需尽量规避软弱层，层间受剪承载力应在上一层的8成以上。结构上部楼层的收缩部分到室外地面的高度与房屋高度的比值若超过0.2，则上部楼层收进后的尺寸要为下部楼层水平尺寸的75%，上部楼层的尺寸不得超过下部外挑水平尺寸的110%，规定外挑尺寸在4m以内。楼层的重力需沿高度均匀分布，上部楼层的重力应在下部楼层的1.5倍以内。

3.3做好结构参数的选择与计算

要做好建筑结构的设计工作，尤其是抗震设计工作，需要对建筑结构的参数进行选择，如果参数的选择错误，会对建筑结构的抗震性能造成很大的影响，因此在设计之前，设计人员就应当对建筑结构的设计参数进行科学选择，不能够确定的参数通过实验进行确定。在模拟地震灾害所建立的模型当中进行计算与分析，甚至可以按照比例建造建筑物的模型，并在振动台上模拟地震作用进行试验，找到建筑结构抗震的薄弱点，进行计算与加强，从而保证建筑结构在地震中的受力合理与科学性。

3.4建筑平面抗震优化

在建筑平面设计的时候，设计师需要坚持对称原则，使结构平面的质量中心与刚度中心经量重合以减少结构的扭转。结构的平面布置原则主要有以下几点：（1）在某一建筑单位内，平面形状宜简单、规则，并减少偏心，在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移或层间位移的最大值与平均值的比值不宜大于1.5；（2）楼层的有效楼板宽度不宜小于该楼层面宽的50%，楼板总的开洞面积不宜超过楼面面积的30%，且楼板在任一方向最小净宽度不宜小于5m、开洞后每一边的楼板净宽不应小于2m；（3）楼板开大洞削弱后，宜采取效应措施加强，例如：加厚洞口附近的楼板，提高板配筋率并采用双层双向配筋、洞口边缘设置暗梁或边梁、洞口角部集中配置斜向钢筋等；（4）结构单元之间或主楼与裙房之间不宜采用牛腿拖梁的做法设置防震缝；（5）经量不要在转角处设置门和窗，避免转角效应的发生。

3.5分体柱的合理应用

短柱的抗弯承载能力和抗剪承载力存在一定的不均匀性，使得建筑结构在地震作用下，因为抗剪能力的不足而出现一定损毁，抗弯承载能力则无法发挥其自身功效。所以在性能划分上，应该提升抗弯承载能力和抗剪承载能力之间的协调性，这样在地震作用下，柱子将先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。分体柱方法则是协调短柱抗弯承载和抗剪承载的主要措施。通过人力作用将短柱的抗弯性能予以消减，保证两者的平衡。

具体措施为，在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，以增强其初期刚度和后期耗能能力。通常情况下使用的连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素砼连接键这四种。此外，随着经济和技术的发展，对建筑结构抗震设计的研究力度也在不断增加，尤其是在建筑结构与地基材料性能、动力响应、计算理论等方面的研究上取得了显著成效，为建筑结构抗震设计水平的提高奠定了坚实基础。

结论

建筑作为目前城市发展中不可或缺的重要组成部分，不仅是一个城市发展面貌的体现，更多的也是保证人们生活品质的基础条件，在建筑设计中，如果存在抗震设计不合理的情况，一方面会对人民的生命安全带来严重威胁，另一方面也会为我国经济建设带来较大损失，影响可持续发展战略的实施。为此，在建筑结构设计中，必须充分的融入抗震理念，应用合理的抗震措施，提高建筑的抗震能力，以此增大建筑的整体安全系数。

参考文献：

[1]梁碧云.建筑结构设计中抗震设计的探讨[J].住宅与房地产，2018（18）.

[2]魏芬洋.建筑结构设计中的抗震设计理念分析[J].建材与装饰，2017（48）.

[3]周征征.提高我国建筑结构设计中抗震设计的方法研究[J].建筑知识，2017（2）.