高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

甘昱

（佳兆業(yè)集團(tuán)控股有限公司惠州分公司，廣東惠州516000）

1 引言

針對(duì)高層住宅建設(shè)結(jié)構(gòu)，合理的抗震設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，其直接影響建筑結(jié)構(gòu)的施工效果。此時(shí)要從建筑結(jié)構(gòu)入手，做好抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，形成完整的抗震體系，為建筑物的穩(wěn)定使用提供支持。

2 影響高層住宅建筑抗震效果的因素

2.1 材料

材料是創(chuàng)建建筑實(shí)體必不可少的要素，現(xiàn)階段的建筑材料類別及性能各不相同，具備的抗震效果也存在差異。若選擇的是加氣混凝土板等具有高強(qiáng)度且質(zhì)地輕的材料，則會(huì)顯著提高建筑物的強(qiáng)度，明顯減輕總體自重，建筑物綜合使用性能更為優(yōu)良。對(duì)此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注重對(duì)建筑材料的選擇，要求其具備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

2.2 高度

現(xiàn)代建筑工程中，高層建筑成為主流趨勢(shì)，但在高度增加的同時(shí)其重心的高度也隨之提高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以得到保障[1]。從實(shí)際情況來(lái)看，建筑超高現(xiàn)象普遍存在，在爆發(fā)高強(qiáng)度地震時(shí)極易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)建筑將整體坍塌，造成嚴(yán)重的傷亡事故。為創(chuàng)造可觀的建筑使用價(jià)值，需要合理設(shè)定建筑高度，避免出現(xiàn)重心過(guò)高的情況。

2.3 地基選取

地基是建筑施工的基礎(chǔ)部分，其穩(wěn)定性也將對(duì)建筑的抗震性能帶來(lái)影響。對(duì)于高層住宅建筑，若地基的穩(wěn)定性與平整性較強(qiáng)，建設(shè)所得的建筑物整體抗震性能則較為優(yōu)良；若建筑地基性能欠佳，如存在松軟、含水量過(guò)高等情況，此時(shí)建筑物的抗震性能將被大大削弱。從這一角度來(lái)看，需注重對(duì)建筑物地基的選擇，若因用地規(guī)劃問(wèn)題而必須在軟土地基上展開(kāi)施工，則要做好地基加固，使其具有足夠的穩(wěn)定性。

3 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

以抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)為工作導(dǎo)向，結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)對(duì)其展開(kāi)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，以期提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及延性等方面的性能，改善結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用效果。在選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則。

3.1 合理的地震作用傳遞途徑

在房屋蓋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮水平荷載和重力荷載的作用，形成一條高效、簡(jiǎn)潔的傳力途徑，以便荷載能夠精準(zhǔn)傳遞到達(dá)各豎向構(gòu)件，如墻、柱、基礎(chǔ)等。

1）在無(wú)轉(zhuǎn)換層高層建筑中布置豎向構(gòu)件時(shí)，最合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇是使豎向構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的軸壓力作用于豎向構(gòu)件的幾何中心，減少偏心距。

2）超高層建筑結(jié)構(gòu)中，應(yīng)盡可能地保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系達(dá)到貫通的狀態(tài)，以滿足直接傳力的要求。常見(jiàn)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)有框架、剪力墻、支撐等，若因設(shè)計(jì)需求而導(dǎo)致其沿豎向存在變化，應(yīng)保證該變化具有均勻性與連續(xù)性，以改善結(jié)構(gòu)的受力條件。

3）選擇抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象。為量化分析結(jié)構(gòu)的延性，可采用結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的延性系數(shù)（μ）進(jìn)行表征，其計(jì)算公式為：

式中，Δup為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)屈服位移，m；Δuy為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)彈塑性位移限值。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，μ 值至少需達(dá)到3～4。

3.2 抗震構(gòu)件具有必要的延性

具有必要的贅余度和內(nèi)力重分布是高層建筑抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。原因是：當(dāng)?shù)卣鹬谐霈F(xiàn)部分構(gòu)件受損退出工作時(shí)，剩余構(gòu)件仍能承受全部荷載，從而避免因部分構(gòu)件喪失功能導(dǎo)致整個(gè)建筑失去抗震能力，提高了建筑物的整體抗震性能[2]。因此，發(fā)生地震時(shí)，框架、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的梁端、柱頭、柱根部應(yīng)力最復(fù)雜最集中，是最容易受到破壞的部位，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量讓節(jié)點(diǎn)的破壞先出現(xiàn)在梁端而不是柱節(jié)點(diǎn)處，即梁端先于柱端破壞，避免因柱節(jié)點(diǎn)破壞引起結(jié)構(gòu)整體坍塌。其次，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻各墻段的高寬比應(yīng)大于2。

3.3 形成多道抗震防線

在設(shè)計(jì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要保證其具有多道抗震防線，切實(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。剪力墻除了作為抗側(cè)力構(gòu)件使用外，還應(yīng)發(fā)揮出第一道抗震防線的作用，對(duì)此，須合理控制剪力墻的數(shù)量，重點(diǎn)考慮其承受結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩，要求該值至少達(dá)到底部總地震傾覆力矩的1/2。此外，避免剪力墻間距過(guò)大的情況，否則會(huì)導(dǎo)致樓板在平面內(nèi)出現(xiàn)大幅度的變形，具體的取值標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（附條文說(shuō)明）（2016 年版）》，表1 中，B 為屋蓋的長(zhǎng)寬比，每組數(shù)據(jù)取較小值。

表l 剪力墻間距取值表

當(dāng)剪力墻之間的樓面有較大開(kāi)洞時(shí)，應(yīng)當(dāng)減小樓與屋蓋的長(zhǎng)寬比。除此之外，剪力墻在開(kāi)裂后將伴有地震作用重分配的現(xiàn)象，為在全新的環(huán)境中有效發(fā)揮作用，任意一層框架部分按框架和墻協(xié)同工作分配的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5 倍或二者的較小值。

3.4 保證剛度滿足要求

在主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能指標(biāo)中，剛度為關(guān)鍵內(nèi)容，為確保該剛度值的合理性，需充分考慮水平位移、穩(wěn)定性及強(qiáng)度延性層面的具體要求，合理設(shè)定剛度控制值，以保證建筑結(jié)構(gòu)可以安全使用。在設(shè)計(jì)工作中不可過(guò)度加大結(jié)構(gòu)的剛度，滿足和略大于規(guī)范限值即可。

4 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)某高層建筑而言，如果在建筑設(shè)計(jì)中將抗震設(shè)防水平定得太高，會(huì)造成建筑材料增加、浪費(fèi)資源、建筑成本大幅度上升；設(shè)防水平定得過(guò)低，建筑成本會(huì)比較低，導(dǎo)致建筑抗震性能較弱，一旦發(fā)生地震，建筑物破壞會(huì)更巨大或者出現(xiàn)坍塌，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失更嚴(yán)重?？紤]二者兼顧，高層建筑最優(yōu)設(shè)防烈度的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)才是最經(jīng)濟(jì)合理的。

4.1 建筑設(shè)防三水準(zhǔn)烈度

4.1.1 水準(zhǔn)烈度分類

設(shè)防三水準(zhǔn)烈度的確定主要是根據(jù)多年來(lái)我國(guó)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析而得出的，分3 個(gè)等級(jí)：

1）第一水準(zhǔn)烈度：是50 年內(nèi)，超越概率為63%的地震烈度為眾值烈度；

2）第二水準(zhǔn)烈度：是50 年超越概率為10%的烈度；

3）第三水準(zhǔn)烈度（即罕遇地震的概率水準(zhǔn)），是50 年超越概率為2%～3%的烈度。

4.1.2 水準(zhǔn)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)防三水準(zhǔn)烈度，從而對(duì)建筑的抗震設(shè)防提出3 個(gè)水準(zhǔn)的要求，其具體標(biāo)準(zhǔn)是：

1）建筑物遭遇第一水準(zhǔn)烈度時(shí)，不可產(chǎn)生任何程度的損害現(xiàn)象，建筑物需滿足各項(xiàng)使用需求，結(jié)構(gòu)受力條件應(yīng)維持在彈性變形狀態(tài)。

2）建筑物遭遇第二水準(zhǔn)烈度時(shí)，允許出現(xiàn)一定程度的損壞，但修繕后可正常使用。盡管此時(shí)的結(jié)構(gòu)處于非彈性變形狀態(tài)，但無(wú)明顯的彈塑性變形，該值能夠得到有效控制，震后殘留的永久變形量無(wú)明顯偏大的問(wèn)題。

3）建筑物遭遇第三水準(zhǔn)烈度時(shí)，各部分結(jié)構(gòu)均處于非彈性變形狀態(tài)，要求其始終具有可控性，未達(dá)到結(jié)構(gòu)倒塌的臨界變形值，換而言之，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌現(xiàn)象。

表2 為抗震三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

表2 抗震三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

Il、Id、Iu分別代表小震、中震和大震。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，定義小震Il=Id-l.55；對(duì)于大震，當(dāng)Id=V1 度時(shí)，Iu為Ⅶ度強(qiáng)；當(dāng)Id=Ⅶ度時(shí)，Iu為Ⅷ度強(qiáng)；當(dāng)Id=Ⅷ度時(shí)，Il為Ⅸ度弱；當(dāng)Id=IX度時(shí)，Iu為Ⅸ度強(qiáng)。

4.2 層間位移限制

高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于高寬比較大的，位移限值則受到材料、結(jié)構(gòu)體系等多方面因素的共同影響，所以，在高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)做到統(tǒng)籌兼顧。必須合理設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值，以便提高穩(wěn)定性，確保其功能可正常使用。高層建筑更容易受到地震的影響，此情況下將伴隨更明顯的層間位移現(xiàn)象，因此，抗震體系設(shè)計(jì)時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)層間位移的限制，避免在地震時(shí)出現(xiàn)大幅度位移的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高層住宅建筑規(guī)模逐步擴(kuò)大的背景下，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)極具必要性。本文結(jié)合實(shí)際工作，從場(chǎng)地選擇、結(jié)構(gòu)配置和優(yōu)化等多方面入手，提出從根本上提高建筑抗震能力的措施，為同類工程提供參考和指導(dǎo)。