高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計研究

【摘要】高層住宅項目的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果設(shè)計有缺漏，會降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致抗震能力偏弱。本文以結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計主要探討內(nèi)容，大體上分成設(shè)計方向與設(shè)計要點兩個部分，前者包括傳力方式、延性、抗震措施與剛度;后者從位移和水準烈度入手，以期同行參考。

【關(guān)鍵詞】高層住宅;抗震性能;建筑結(jié)構(gòu)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.25.054

高層抗震性能體現(xiàn)在建筑遭遇地震期間，布置的多道抗震措施以及結(jié)構(gòu)本身，抵抗地震帶來的沖擊力，以降低傷亡與經(jīng)濟損失。高層中心相對更高，穩(wěn)定性較差，加之內(nèi)部人員總數(shù)較多，若遭遇地震災(zāi)害時，結(jié)構(gòu)抗震能力不高，形成的損失是多層建筑數(shù)倍。因而，應(yīng)落實結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計效果，保障居住安全。

1、高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計方向

圍繞結(jié)構(gòu)的抗震性能落實設(shè)計方案，需基于高層原本結(jié)構(gòu)特征，繼而提升構(gòu)筑物強度與延性等，優(yōu)化主體結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能。在確定建筑體系中，應(yīng)思考以下內(nèi)容。

1.1地震傳力方式

在設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震期間，應(yīng)基于地震的特點，綜合分析水平方向與重力荷載，以求設(shè)計出簡單且高效的傳力方式，使荷載可以準確傳至結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件，比如墻體與柱體等。首先，對于沒有轉(zhuǎn)換層的高層項目，部署縱向構(gòu)件中，最適宜的結(jié)構(gòu)模式為讓縱向構(gòu)件受到重力荷載，形成的軸壓力作用在自身幾何中心，盡可能控制偏心距。其次，超高層的項目中，以確保抗側(cè)力的主體系統(tǒng)保持貫通狀態(tài)，確保傳力的通暢性。一般應(yīng)用到的此類結(jié)構(gòu)包括剪力墻與框架等。如果由于設(shè)計需要，造成縱向的某些變化，需確保此波動具備連續(xù)性和均勻性的特征，繼而優(yōu)化實際的受力情況。最后，在確定抗側(cè)力的構(gòu)件中，需確保整體結(jié)構(gòu)不能發(fā)生脆性損壞問題。而為量化實際延性，能借助相關(guān)的延性系數(shù)（μ）確定特征，可使用下述公式進行計算：

μ=△μp /△ μy

其中，△μp 表示頂點的屈服位移量，單位是米;△μy對應(yīng)頂點彈塑性的位移變化限值?；趯嵺`總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗，μ在3～4之間是比較適宜的。

1.2構(gòu)件必要延性

在抗震的設(shè)計任務(wù)中，延性是必要的考慮問題。原因在于：地震發(fā)生時個別構(gòu)件會由于受損不能發(fā)揮抗震作用，使得構(gòu)件基數(shù)減少，荷載無變化，但依舊能保證可以全部承受，繼而避免總體結(jié)構(gòu)喪失抗震性能，提升高層建筑抗震效果。在地震災(zāi)害出現(xiàn)時，框架、柱體根部等局部的應(yīng)力承受情況極為復(fù)雜且集中，容易發(fā)生損壞。對此，優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)使各部分受損位置落于梁端，并非柱體的節(jié)點位置，能避免柱節(jié)點先損壞，造成建筑總體結(jié)構(gòu)坍塌。另外，若高層建筑為框架-剪力墻或單純剪力墻模式下，每個墻段實際高寬比例需超過2 。

1.3多道抗震措施

在優(yōu)化框架-剪力墻中，應(yīng)設(shè)置多道抗震措施，以提升高層結(jié)構(gòu)的抗震效果。在高層結(jié)構(gòu)中，剪力墻負責(zé)抗側(cè)力的同時，還應(yīng)是結(jié)構(gòu)整體抗震體系中的第一個措施。設(shè)計師應(yīng)保障剪力墻布設(shè)量的合理性，并準確設(shè)置該結(jié)構(gòu)底部的傾覆力矩，根據(jù)高層建設(shè)標準，此數(shù)值至少應(yīng)滿足工程總傾覆力矩的一半。另外，不可出現(xiàn)間距超過限定值的現(xiàn)象，否則會造成樓板在平面中發(fā)生明顯的變形。具體控制數(shù)值可根據(jù)結(jié)構(gòu)施工方式，加以確定。一方面，現(xiàn)澆項目中，非抗震設(shè)計應(yīng)5B， 間距60m;Ⅵ度以及Ⅶ度要求下，4B與50m間距;Ⅷ度標準中，3B和40m間距;Ⅸ度對應(yīng) 2B與30m間距。另一方面，裝配式的建筑中，非抗震設(shè)計應(yīng)是3.5B，50m間距;Ⅵ度以及Ⅶ度要求下，3.5B與40m間距;Ⅷ度標準中，2.5B和30m間距。其中B表示結(jié)構(gòu)的高寬比例，上述各組數(shù)值均為較小值。

在相鄰剪力墻間形成開洞現(xiàn)象，需適當(dāng)縮小高寬比例。同時，若剪力墻發(fā)生開裂問題，地震產(chǎn)生的作用力會被充分傳遞分配，并在新的位置上發(fā)揮作用。高層住宅建筑上的各層需根據(jù)結(jié)構(gòu)與墻的協(xié)同情況，確定地震剪力，該數(shù)值不可低于結(jié)構(gòu)底端總剪力值的20% ，且不能超過各層剪力最高值的1.5倍，或不足兩項控制參數(shù)的較小值[1]。

1.4確保結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能，從力學(xué)角度來看，剛度是其中的重要內(nèi)容，需保證結(jié)構(gòu)剛度適宜性，并綜合考量水平方向上的移動、穩(wěn)定性與強度延性等多項數(shù)值的標準，準確把控剛度，確保高層結(jié)構(gòu)能安全應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中，不能盲目提高該數(shù)值，處于或略大于標準范圍為宜。

2、高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計要點

在高層項目中，若把抗震防水標準設(shè)置過高，會擴大物料及各類資源的投入規(guī)模，增加工程造價。但若此數(shù)值偏低，總體造價也隨之降低，但會影響結(jié)構(gòu)的抗震能力，若遭遇地震，結(jié)構(gòu)會嚴重受損，甚至發(fā)生震中坍塌的情況，造成的后果是難以估計的。在設(shè)計環(huán)節(jié)中，應(yīng)對此加以兼顧，輸出最合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2.1位移約束

高層項目結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出高寬比例偏大的特征，而各層間的位移會被物料及框架體系等多因子的共同作用，在設(shè)計結(jié)構(gòu)中，需平衡各項因素。巧妙設(shè)計鋼筋砼結(jié)構(gòu)下位移限值，提升結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)度，維護結(jié)構(gòu)的功能性。高層整體高度偏大，相較于多層建筑，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較低，容易被地震影響。因此，在地震中易發(fā)生層間的位移，對此需要在優(yōu)化設(shè)計中，能強化對位移的約束，以免發(fā)生嚴重的位移現(xiàn)象。

2.2水準烈度

從國內(nèi)曾發(fā)生過的地震情況來看，水準烈度能分出三個級別。首先，在半世紀內(nèi)，超越概率在63.2%的烈度是眾值烈度;其次，半世紀內(nèi)，該指標是10%的烈度;最后，該指標在2%～3%之間的烈度?；谒疁柿叶鹊囊?guī)定標準，建筑項目在面對不同烈度時應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)的反應(yīng)標準為：一級烈度下不能出損傷，依舊可繼續(xù)應(yīng)用，受力情況能保持彈性變形的狀態(tài);二級烈度下，可形成輕微的損傷，通過簡單修繕能繼續(xù)應(yīng)用，沒有發(fā)生顯著彈塑性變形，且永久型的變形程度沒有明顯變化;三級烈度下，總體結(jié)構(gòu)為非彈性情況，但依據(jù)處于可控狀態(tài)，沒有趨近于臨界變形值，不能出現(xiàn)倒塌問題。具體的設(shè)計標準為：小震環(huán)境下，需低于設(shè)計防烈度1.55度，結(jié)構(gòu)不壞;中震可等于設(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)可壞;大震環(huán)境中，可略超過設(shè)防烈度1度，建筑結(jié)構(gòu)需保持不倒[2]。

結(jié)語：

總而言之，在高層住宅項目持續(xù)增多及擴大趨勢下，優(yōu)化主體結(jié)構(gòu)是必然趨勢。本文著眼于設(shè)計本身，從多個維度深入，旨在提升高層抗震效果，維護主體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)度，控制因地震造成的損壞率，并兼顧建設(shè)經(jīng)濟性，為居民創(chuàng)建安全的生活環(huán)境。

參考文獻：

[1]袁見明.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點事項研究[J].建材與裝飾，2020，（18）：110-111.

[2]原曉輝.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需關(guān)注的問題分析[J].工程技術(shù)研究，2019，（01）：185-186.

作者簡介：

高躍軍（1983-），男，本科，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。