高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析

路 方

中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122

地震是對高層建筑結(jié)構(gòu)安全造成最大威脅的一種因素，對于高層建筑來說，良好的抗震設(shè)計能夠保障人們的生命和財產(chǎn)安全，因此在建設(shè)高層建筑的過程中必須加強(qiáng)抗震設(shè)計，在掌握基本設(shè)計原則的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)。

1 某超高層商住樓結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方案

1.1 建筑基本情況

某超高層商住樓建筑有地下3層，功能為建筑停車庫，局部因?yàn)樵O(shè)置非機(jī)動地下車庫和設(shè)備夾層，地下為4層，地上40層。1～4層主樓及裙房建筑功能為購物商場，第5層以上建筑功能為公寓式酒店。根據(jù)建筑功能要求，上部樓層部分剪力墻、框架柱不能直接連續(xù)貫通落地，不落地剪力墻面積約為上部剪力墻面積的15%，其所在位置需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。該工程結(jié)構(gòu)形式為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第5層樓面位置，采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚度為200mm。工程所在地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓為0.4kPa，基本雪壓為0.3kPa，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為二類。

1.2 結(jié)構(gòu)布置與抗震措施

該高層建筑高度為143.8m，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 3—2010），當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6度時，框支剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度為140m，故該工程建筑高度超過規(guī)范允許值。根據(jù)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67號），該工程為應(yīng)對抗震超限編制了專項(xiàng)審查方案并進(jìn)行了專家論證，對重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，需要采取更為嚴(yán)格的抗震措施，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。

（1）抗側(cè)力體系布置。根據(jù)建筑施工圖布置方案，剪力墻布置在建筑交通核四周及角部，四周設(shè)置稀疏的框架柱。剪力墻盡量采用長墻形式，增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。該工程底部因建筑功能為商業(yè)，需要大開間空間，而局部區(qū)域上部剪力墻無法落地，故可通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該工程采用型鋼混凝土框支柱、框支梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換。型鋼截面尺寸、厚度通過計算確定，并加強(qiáng)鋼柱、鋼梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，增加其在地震作用下結(jié)構(gòu)的延性。同時，對于其余上下連續(xù)貫通落地的剪力墻，在框支層以下部分進(jìn)行加厚處理，邊緣構(gòu)件內(nèi)設(shè)置型鋼，增加落地剪力墻的剛度和延性。上部四周框架梁適當(dāng)加高加寬，以提高結(jié)構(gòu)的整體性。

（2）對于框支層的抗震性能專項(xiàng)設(shè)計，參照我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 3—2010)的規(guī)定，其抗震性能水準(zhǔn)具體如表1所示。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、抗震類別、工程所處場地的復(fù)雜程度、地震后造成的生命財產(chǎn)損失程度及影響程度和工程造價等因素。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個等級，且每一個性能指標(biāo)都要與相應(yīng)的構(gòu)件抗震性能指標(biāo)水平相對應(yīng)。具體的抗震性能和抗震性能水準(zhǔn)指標(biāo)如表2所示。該結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)設(shè)置為C級，各個類型的構(gòu)件選擇以及抗震性能如表3所示。

表1 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)對應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)

表3 框支層各類構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)

2 高層建筑抗震設(shè)計中存在的問題

2.1 軸壓比和短柱對抗震性能的影響

在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中控制柱的軸壓比主要是防止柱受拉鋼筋未達(dá)到屈服強(qiáng)度，但受壓區(qū)混凝土先被壓碎，使柱塑性變形能力差，結(jié)構(gòu)延性和耗能能力受到影響。高層建筑中框架柱承擔(dān)的豎向荷載較大，為滿足規(guī)范要求的軸壓比，一般柱截面尺寸較大，剪跨比一般小于2，為短柱，底部幾層更可能為超短柱。為確保地震作用下結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)對框架柱采取加強(qiáng)措施，可采用全高箍筋加密，采用螺旋箍筋或者中間設(shè)置型鋼等加強(qiáng)措施。

2.2 結(jié)構(gòu)高度對抗震性能的影響

結(jié)構(gòu)高度為室外地面至主要屋面構(gòu)件的高度，結(jié)構(gòu)承受的傾覆彎矩隨結(jié)構(gòu)高度的增加而增加。建筑物高度越高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就越差，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)剛度就需要更大，剪力墻等承受的水平力構(gòu)件就需要布置越多，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性會變得較差。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的高度超過相關(guān)規(guī)范允許值時，應(yīng)采取比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施進(jìn)行抗震超限專項(xiàng)設(shè)計，并通過專家的論證后方可實(shí)施。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計策略

3.1 運(yùn)用高延性結(jié)構(gòu)消震和隔震

高延性結(jié)構(gòu)可以有效提高抗震能力，并且有著良好的吸收地震能量的作用，我國當(dāng)前在建筑的防震設(shè)計及后期施工過程中，為增加建筑結(jié)構(gòu)的延性、整體剛度，對結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行了科學(xué)合理的設(shè)計，以減少地震作用帶來的不利影響。必要時可采用減震、隔震設(shè)計，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、適用。

3.2 注意薄弱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層一般出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，樓層的承載力出現(xiàn)突變以及結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的突變位置。在地震的作用下，薄弱層是最容易受到影響的，因此在強(qiáng)化薄弱層的結(jié)構(gòu)計算分析的基礎(chǔ)上，要加強(qiáng)薄弱層的抗震承載能力和耗能能力，使薄弱層有足夠的強(qiáng)度和剛度來應(yīng)對地震作用。

3.3 合理選擇和布置建筑方案

結(jié)構(gòu)工程師的作用是配合建筑設(shè)計師的工作，通過力學(xué)計算分析、概念設(shè)計等方式盡可能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計意圖。然而在方案設(shè)計時，結(jié)構(gòu)工程師往往參與較少，待建筑方案確定后往往出現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置不合理、不滿足抗震設(shè)計要求的情況。因此，為確保后期結(jié)構(gòu)抗震方案的可實(shí)施性，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能早地參與到建筑方案的確定過程中來，并要求建筑方案遵循“平面對稱、立面均勻”的布置原則。

3.4 加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的整體性

只有保證建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體強(qiáng)度、剛度和耗能能力，在發(fā)生地震時各個部件才能夠協(xié)調(diào)工作。因此，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)四周梁截面尺寸，對于開大洞四周樓板要加大樓板厚度和拉通筋的配筋率，提高樓板的平面內(nèi)剛度，確保結(jié)構(gòu)滿足計算假設(shè)以及結(jié)構(gòu)抗震性能滿足規(guī)范要求。

3.5 對于其他非結(jié)構(gòu)部件的處理

除了主要受力構(gòu)件，建筑物還包含填充墻體、外圍裝飾墻板、屋面廣告牌、附屬機(jī)電設(shè)備等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，這些構(gòu)件也會在不同程度上受到地震作用，對建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能產(chǎn)生一定影響，因此對其進(jìn)行合理的處理，能更好地提高建筑物的抗震能力，減少地震造成的次生災(zāi)害。

4 結(jié)束語

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，高層以及各種超高層建筑在城市建設(shè)中的應(yīng)用越來越多。為有效保障人們生命財產(chǎn)安全，必須重視對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，尤其是進(jìn)行抗震概念設(shè)計能有效降低地震對建筑物的損害，提升社會經(jīng)濟(jì)效益。