試論超高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震

吳啟鈞

廣東貝林建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣東 廣州 510000

引言

城市化管理模式的盛行和城區(qū)人口密度的逐步加大，使超高層建筑被確定為建筑業(yè)未來發(fā)展的主要路線，城區(qū)超高層建筑不斷涌現(xiàn)，并且在建材到主體架構(gòu)也在不斷升級(jí)，并且抗震設(shè)計(jì)一直是超高層建筑設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)，近些年來，國內(nèi)超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平逐步加強(qiáng)，然而超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震被確定仍被確定為現(xiàn)代建筑發(fā)展中的主要難題，所以就有必要對(duì)超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研討。

1 超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

1.1 設(shè)計(jì)計(jì)劃的制定

住宅設(shè)計(jì)的美觀經(jīng)濟(jì)適用非常關(guān)鍵，高質(zhì)量的設(shè)計(jì)計(jì)劃需要以簡(jiǎn)單對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置為前提，應(yīng)當(dāng)注意到建筑造型的美觀，同時(shí)還在合理范圍內(nèi)盡量體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性[1]。

超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心就是結(jié)構(gòu)布置的合理、均衡，所以設(shè)計(jì)計(jì)劃應(yīng)當(dāng)保證在舒適使用和安全的前提下，還應(yīng)當(dāng)具有簡(jiǎn)便性，在方案階段就要考慮建筑功能與結(jié)構(gòu)布置的和諧統(tǒng)一。除此之外，還需要結(jié)合工程的地理?xiàng)l件、使用要求、結(jié)構(gòu)類型等環(huán)節(jié)上做出綜合的衡量，還應(yīng)當(dāng)與水電等專業(yè)進(jìn)行配合，進(jìn)而從綜合角度上考慮，來制定住宅設(shè)計(jì)計(jì)劃，保證超高層住宅的安全實(shí)用。這就要求我們將工程概況、規(guī)范、結(jié)構(gòu)形式、荷載情況、參數(shù)設(shè)置、構(gòu)件截面、基礎(chǔ)選型、建筑平面圖、材料等進(jìn)行分析和羅列，作一個(gè)可行性的專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間的綜合分析。還要注意，對(duì)于超限高層結(jié)構(gòu)的超限審查，全國各地存在一定的地區(qū)差異，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段要注意核查清楚當(dāng)?shù)氐淖龇ê蜆?biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格執(zhí)行[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們的設(shè)計(jì)思路是抗規(guī)的要求：小震不壞、中震可修、大震不倒，就是我們所說的兩階段三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)計(jì)。通過小震彈性設(shè)計(jì)，加以強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)墻肢弱連梁等構(gòu)造加強(qiáng)措施，以增強(qiáng)構(gòu)件的延性，最后達(dá)到小震不壞、中震可修的要求。 這樣的一個(gè)性能目標(biāo)，它是最基本的性能目標(biāo)要求。

而超高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路是加以性能化設(shè)計(jì)。性能化設(shè)計(jì)是建立在概念設(shè)計(jì)上的抗震設(shè)計(jì)的一種新的發(fā)展，它主要的觀點(diǎn)是在不同的地震動(dòng)下，針對(duì) 不同的構(gòu)件（關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件、耗能構(gòu)件）或同一構(gòu)件（同一個(gè)柱子、同一片墻）的不同的內(nèi)力（軸力、彎矩或者是剪力），提出不同的目標(biāo)。性能設(shè)計(jì)包含常規(guī)的小震設(shè)計(jì)， 然后就到了我們的中震和大震設(shè)計(jì)。中震的性能化設(shè)計(jì)指的就是按照規(guī)范譜進(jìn)行分析，αmax采用中震的數(shù)值。大震的性能化設(shè)計(jì)包含兩部分，第一部分指的就是按照規(guī)范譜進(jìn)行分析，αmax采用大震的數(shù)值； 第二部分就是大震的彈塑性分析， 是采用時(shí)程地震波進(jìn)行的積分分析。

1.3 對(duì)計(jì)算實(shí)行正確的分析

國內(nèi)科技水平在逐步加強(qiáng)，這樣就對(duì)建筑企業(yè)發(fā)展提供了有利條件，智能終端技術(shù)屬于現(xiàn)代科技發(fā)展中的主要項(xiàng)目，智能終端技術(shù)也在現(xiàn)代住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上得到全面融入。設(shè)計(jì)師的計(jì)算軟件愈加豐富，但同時(shí)也伴隨了一些影響因素，一個(gè)工程在多個(gè)軟件里的計(jì)算結(jié)果存在差異，這就需要設(shè)計(jì)師有一套系統(tǒng)方法去比較和分析。

一般來說，小震彈性分析需要分別采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的空間結(jié)構(gòu)分析，分析時(shí)，均采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，并考慮了偶然偏心及雙向地震作用；采用CQC（完全平方根組合）進(jìn)行振型組合，采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）的方法計(jì)算雙向地震作用。還應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。選用3條或7條地震波進(jìn)行多遇地震下彈性時(shí)程分析。例如采用PKPM和YJK作為主要分析軟件，采用ETABS、Midas作為輔助軟件對(duì)比分析。而大震彈塑性分析會(huì)采用sausage、Midas等軟件為結(jié)構(gòu)進(jìn)行分線型地震反應(yīng)分析[3]。

2 高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍的問題與對(duì)策

2.1 超高的問題

現(xiàn)階段，世界大部分國家都發(fā)生了前所未有的高等級(jí)暴風(fēng)雪天氣情況，并且也基于抗震性能等環(huán)節(jié)的衡量，國內(nèi)相關(guān)部門也在超高層住宅的高度上提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)，將住宅高度確定為A級(jí)高度，B級(jí)高度，超B級(jí)高度，超高層住宅的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施也都得到明顯區(qū)分[4]。當(dāng)房屋高度在《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》B級(jí)高度范圍內(nèi)時(shí)，比較規(guī)則的建筑應(yīng)按高規(guī)執(zhí)行。超高時(shí)應(yīng)從嚴(yán)掌握建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性的要求，明確豎向不規(guī)則和水平向不規(guī)則的程度，應(yīng)注意樓板局部開大洞導(dǎo)致較多數(shù)量的長(zhǎng)短柱共用和細(xì)腰形平面可能造成的不利影響，避免過大的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.2 高層結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題

規(guī)則性超限是指建筑結(jié)構(gòu)布置屬于《抗震規(guī)范》 、《高層混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》規(guī)定的特別不規(guī)則的高層建筑工程。包括結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層、錯(cuò)層、連體和多塔等不規(guī)則。要針對(duì)不規(guī)則的多少、程度和薄弱部位，明確提出為達(dá)到安全而比現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定更嚴(yán)格的具體抗震措施或預(yù)期性能目標(biāo)。

3 超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)方法與要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)方法

在超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要結(jié)合兩階段三水準(zhǔn)的思路考慮。在第一階段設(shè)計(jì)時(shí)，選擇與第一水準(zhǔn)相契合的參數(shù)，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算包含豎向和水平荷載工況。其中豎向荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒載及活載，計(jì)算時(shí)考慮施工模擬加載。水平荷載工況包括地震作用及風(fēng)荷載。小震下采用規(guī)范反應(yīng)譜，同時(shí)考慮雙向水平地震作用、偶然偏心以及施工模擬加載的影響，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法。選用5組天然波和2組人工波，對(duì)結(jié)構(gòu)作彈性時(shí)程分析，并將其結(jié)果的平均值與規(guī)范反應(yīng)譜分析結(jié)果相比較，取其包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)彈性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)，對(duì)剪力增大的樓層剪力乘以剪力放大系數(shù)進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算。還要對(duì)風(fēng)荷載下剪力墻偏拉驗(yàn)算進(jìn)行專項(xiàng)分析，以確保小震不壞，中震可修。

第二階段采用Sausage對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，有助于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，并有針對(duì)性對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)設(shè)的罕遇地震作用下性能目標(biāo)和規(guī)范層間位移角要求，以確保大震不倒。

3.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性

從超高層住宅結(jié)構(gòu)的角度而言，所開展的設(shè)計(jì)工作需要保證住宅結(jié)構(gòu)具備強(qiáng)大抗扭剛度，保證平面結(jié)構(gòu)布置和受力的均衡，能夠滿足抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)[5]。

綜合考慮建筑功能、立面造型、抗震（風(fēng)）性能要求、施工周期以及土建造價(jià)等因素，高草層住宅一般采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻宜平面內(nèi)上下對(duì)齊，保證傳力清晰。但有可能由于建筑功能限制，平面某個(gè)方向多為陽臺(tái)或窗，沿建筑平面這一方向可布置剪力墻的數(shù)量較少，設(shè)計(jì)上應(yīng)加長(zhǎng)該方向剪力墻長(zhǎng)度，加大外圍端柱尺寸，結(jié)合飄窗增加梁高、梁寬，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)這一向抗側(cè)剛度使其滿足規(guī)范要求。

對(duì)可能發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)位做出專項(xiàng)分析和構(gòu)造加強(qiáng)，如此設(shè)置能夠明顯減少地震帶來的危害性，能保證住宅架構(gòu)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如核心區(qū)域、樓梯區(qū)域及其周邊薄弱連接處樓板進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，構(gòu)造上加厚至150mm，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)樓板應(yīng)力較大區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，保證在地震作用下樓板能有效傳遞水平荷載和有效協(xié)調(diào)所連接結(jié)構(gòu)的變形。

3.3 針對(duì)剪力墻的分析加強(qiáng)

使用剪力墻結(jié)構(gòu)的超高層住宅的抗震性與剪力墻就有這十分重要的聯(lián)系。剪力墻是豎向承重構(gòu)件，通過連梁、框架梁圍蔽起來形成建筑物本身的剛度，承受水平風(fēng)荷載、地震荷載作用，所以剪力墻的設(shè)計(jì)是超高層住宅的重點(diǎn)。

經(jīng)過小震彈性、中大震等效彈性的分析，剪力墻需要按小中震包絡(luò)配縱筋、箍筋。關(guān)鍵構(gòu)件底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻，除滿足小震、中震、大震的計(jì)算配筋要求外，其最小分布筋配筋率由0.25%提高到0.35%；角部剪力墻抗震等級(jí)宜提高，豎向分布筋最小配筋率提高為0.8%。底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻邊緣構(gòu)件及水平筋需由小震與中震抗彎不屈服抗剪彈性包絡(luò)配筋。建筑周邊剪力墻端柱或短翼緣墻肢、小翼緣墻垛全高采用約束邊緣構(gòu)件，同時(shí)滿足框架柱設(shè)計(jì)要求，箍筋均按全高加密構(gòu)造加強(qiáng)[6]。

結(jié)束語

近些年來，國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)的能力不斷加強(qiáng)，這樣就為超高層建筑的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。專業(yè)技術(shù)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合地方客觀條件，以正確的方法開展結(jié)構(gòu)與地震設(shè)計(jì)工作，結(jié)合既定的設(shè)計(jì)原則以及專業(yè)規(guī)程，總結(jié)出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)效益間的共通之處，為民眾打造出更具安全性、規(guī)整性、藝術(shù)性和實(shí)用性的超高層建筑。