高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

查全平

(廣東廣筑工程設(shè)計(jì)有限公司,廣東 東莞523000)

高地震烈度區(qū)對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有較高的要求,在地震作用和風(fēng)荷載作用下很容易影響到區(qū)域內(nèi)建筑的穩(wěn)定性能,因此高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)與普通區(qū)域建筑結(jié)構(gòu)是有所不同的,為此提出高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

高地震烈度區(qū)建筑容易發(fā)生位移,因此下層間位移角是高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一,而與建筑下層間位移角大小有關(guān)主要取決于建筑結(jié)構(gòu)體系,目前高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)體系主要為單結(jié)構(gòu)體系,單結(jié)構(gòu)體系主要由混凝土內(nèi)筒組成,這種建筑結(jié)構(gòu)體系在高地震烈度區(qū)建筑項(xiàng)目中普遍應(yīng)用,通過對(duì)該類型結(jié)構(gòu)體系建筑地震動(dòng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)查,如表1所示。

表1 高地震烈度區(qū)單建筑結(jié)構(gòu)體系地震動(dòng)周期數(shù)據(jù)表

從單建筑結(jié)構(gòu)體系地震動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)單建筑結(jié)構(gòu)體系的位移偏大,因此此次對(duì)高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),首先對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),為了有效控制高地震烈度區(qū)建筑位移,此次在原有建筑結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上將其優(yōu)化成為混合結(jié)構(gòu)體系,混合結(jié)構(gòu)體系主要由鋼外框和混凝土內(nèi)筒混合組成,并且在住建筑結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)層以及側(cè)面交叉支撐結(jié)構(gòu),加強(qiáng)層和側(cè)面交叉支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用起到固定作用,起到更好的抗震效果,表2 為混合建筑結(jié)構(gòu)體系截面參數(shù)表。

表2 混合建筑結(jié)構(gòu)體系截面參數(shù)表

混合結(jié)構(gòu)體系將原有的核心筒高度和寬度比例進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化,通過提高核心筒高度和寬度數(shù)值來加重建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量剛度,還加厚了建筑結(jié)構(gòu)體系中核心筒的厚度,通過調(diào)整該項(xiàng)參數(shù)減小建筑結(jié)構(gòu)縱向?qū)娱g位移角,增強(qiáng)了高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)重量和抗震效果[1]。在原有建筑結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上又設(shè)置了側(cè)面支撐結(jié)構(gòu),這樣可以減小建筑結(jié)構(gòu)橫向?qū)娱g位移角以及結(jié)構(gòu)地震周期。通過以上結(jié)構(gòu)體系參數(shù)數(shù)值優(yōu)化,來增大建筑結(jié)構(gòu)截面面積,從而減小建筑結(jié)構(gòu)周期,增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)地震剪力[2]。混合建筑結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際施工應(yīng)用中具有較高的難度,在施工過程中建筑結(jié)構(gòu)體系中的剪力墻需要埋設(shè)型鋼,而連梁設(shè)計(jì)比較難,因此為了保證混合建筑結(jié)構(gòu)體系可以發(fā)揮出良好的抗震效果,采用多道SRC 連梁或者鋼連梁,將其代替原有的連梁結(jié)構(gòu),以此完成高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 增設(shè)隔震層

在以上對(duì)高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,又增設(shè)了隔震層。原有建筑結(jié)構(gòu)中并沒有隔震層,上文雖然對(duì)原有建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了優(yōu)化,并且在原有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上布置了側(cè)面支撐結(jié)構(gòu),對(duì)建筑結(jié)構(gòu)起到一定的支撐作用,但是僅僅依靠側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)起到的抗震效果有限,因此本文又在原有建筑結(jié)構(gòu)上增設(shè)了隔震層,隔震層主要由橡膠支座和粘滯阻尼器兩部分組成,通過合理布置橡膠支座和粘滯阻尼器來起到良好的隔振效果,減小地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響和力學(xué)作用。

隔震層在布置過程中需要考慮以下幾點(diǎn)因素:(1)橡膠支座分為鉛芯橡膠支座和天然橡膠支座,鉛芯橡膠支座剛度較大,成本較低,而天然橡膠支座剛度較小,成本相對(duì)鉛芯橡膠支座較高一些,但是二者在施工成本上和隔振效果上基本相差無幾,具體應(yīng)用哪種橡膠支座主要取決于建筑項(xiàng)目施工方。如果采用剛度較強(qiáng)的鉛芯橡膠支座,則支座的布置主要沿著建筑周邊,如果采用剛度比較小的天然橡膠支座,則支座的布置主要沿著建筑內(nèi)部四周布置,兩種橡膠支座的布置方式不同,這樣可以盡可能地提高建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度[3]。(2)無論采用哪種橡膠支座,在支座的重力荷載代表值作用下,建筑結(jié)構(gòu)橫向平均應(yīng)力不宜超過《高地震烈度區(qū)甲類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB26515-2010 規(guī)定,即不可以超過甲類建筑限制11.5MPa。(3)在高地震烈度區(qū)如果發(fā)生地震,在地震作用下兩種類型橡膠支座的極限水平變?yōu)樾枰∮谟行е睆降?.15 倍,這樣可以有效保證橡膠支座的隔振作用。(4)在高地震烈度區(qū)如果發(fā)生地震,在地震作用下兩種類型橡膠支座不可以出現(xiàn)拉應(yīng)力,如果地震作用影響較大,橡膠支座出現(xiàn)拉應(yīng)力不可以超過2.55MPa。(5)為了盡可能減小地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)隔震層的作用和影響,防止隔震層出現(xiàn)變形,必須在隔震層中設(shè)置粘滯阻尼器,粘滯阻尼器的布置可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)的減震效果,粘滯阻尼器通常情況下布置在建筑結(jié)構(gòu)四周,呈對(duì)稱布置。目前現(xiàn)有的粘滯阻尼器布置方案有兩種,方案一是沿建筑結(jié)構(gòu)外圍四周對(duì)稱布置,方案二是沿建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部四周對(duì)稱布置,兩種布置方案起到的協(xié)調(diào)隔振效果不同,通過對(duì)兩種方案動(dòng)力時(shí)程測試,得到設(shè)防地震下兩種方案減震系數(shù)數(shù)據(jù),如表3 所示。

表3 兩種粘滯阻尼器布置方案減震系數(shù)對(duì)比

從上表數(shù)據(jù)可以看出,方案一比方案二建筑結(jié)構(gòu)減震系數(shù)較高一些,因此在對(duì)粘滯阻尼器布置時(shí)可以采用方案一布置施工。根據(jù)上述對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的隔震層進(jìn)行布置,在實(shí)際施工中,每個(gè)隔震層布置的橡膠支座不宜少于100 個(gè),并且隔震層中需要添加少量的彈性滑板支座,粘滯阻尼器的布置數(shù)量為橡膠支座的10%。這樣施工設(shè)計(jì)的隔震層橫向偏心率可以達(dá)到0.55%,縱向偏心率可以達(dá)到1.25%,滿足《高地震烈度區(qū)甲類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB26515-2010 規(guī)定的限值4.5%的要求。

1.3 抗側(cè)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

除了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)和增設(shè)隔震層之外,本文為了建筑結(jié)構(gòu)在高地震烈度區(qū)可以起到超高的抗震效果和穩(wěn)定效果,還對(duì)原有的抗側(cè)構(gòu)建進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),原有抗側(cè)構(gòu)建采用的是立面大斜撐,這種抗側(cè)構(gòu)建不僅會(huì)增加建筑結(jié)構(gòu)的占地面積,而且起到的支撐作用不夠明顯,因此此次將原有的立面大斜撐抗側(cè)構(gòu)件優(yōu)化為伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)建,伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)建采用的是全鋼結(jié)構(gòu)方案,支撐模式采用的是內(nèi)筒支撐,圖1 為伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)平面示意圖。

圖1 伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)平面示意圖

該種抗側(cè)構(gòu)建在應(yīng)用時(shí),主要是在建筑各個(gè)樓層內(nèi)設(shè)置伸臂衍架,伸臂衍架的制作材料主要為鋼材,利用伸臂衍架作為建筑結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)層,為了進(jìn)一步證明伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)件在高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果,對(duì)其敏感性進(jìn)行了分析,如表4 所示。

表4 抗側(cè)構(gòu)件不同布置位置對(duì)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)影響

從上表中數(shù)據(jù)可以看出,在建筑15 層開始布置伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)件時(shí),建筑結(jié)構(gòu)的橫向?qū)娱g位移和縱向?qū)娱g位移數(shù)值最小,因此將15 層設(shè)置為伸臂衍架抗側(cè)構(gòu)件布置位置。通過以上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化、增設(shè)隔震層以及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)建優(yōu)化,完成了高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)論

本文結(jié)合高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求,在原有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化和改善,分別為建筑結(jié)構(gòu)的體系和抗側(cè)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并且還增加了隔震層,此次研究有助于提高高地震烈度建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性,為高地震烈度區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了良好的數(shù)據(jù)依據(jù),對(duì)高地震烈度區(qū)建筑施工質(zhì)量的提高也具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。