裝配式構(gòu)件在鋼筋混凝土 高層建筑工程中的抗震設(shè)計研究

李明

摘 要：隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提高和建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，我國逐漸加強了對鋼筋混凝土抗震設(shè)計，旨在提升高層建筑的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，從而為人們提供舒適、安全的居住環(huán)境。而裝配式構(gòu)件的出現(xiàn)和應(yīng)用為鋼筋混凝土抗震設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。為了充分發(fā)揮和利用裝配式構(gòu)件的應(yīng)用優(yōu)勢，保證高層建筑的安全性，現(xiàn)以某高層建筑工程為例，在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，不斷提高鋼筋混凝土的抗震設(shè)計水平，并探討了最終抗震設(shè)計效果。結(jié)果表明，本次抗震設(shè)計具有非常高的可靠性和可行性，不僅降低了建筑結(jié)構(gòu)的地震作用，還實現(xiàn)了對構(gòu)件配筋的科學(xué)優(yōu)化，為最大限度地減小預(yù)制鋼筋的連接數(shù)量，提升高層建筑抗震效果打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：裝配式構(gòu)件;鋼筋混凝土;高層建筑工程;抗震設(shè)計

中圖分類號：TU352.11? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0107-05

Research on Seismic Design of Prefabricated Components in Reinforced Concrete High-rise Buildings

Li Ming

（Shangluo University， Shangluo 726000， China ）

Abstract：With the continuous improvement of the social and economic level and the continuous development of the construction industry， my country has gradually strengthened the seismic design of reinforced concrete， aiming to improve the stability， reliability and safety of high-rise buildings， so as to provide people with comfortable and safe living environment. The emergence and application of fabricated components have laid a solid foundation for the seismic design of reinforced concrete. In order to give full play to and utilize the application advantages of prefabricated components and ensure the safety of high-rise buildings， taking a high-rise building project as an example， under the application background of prefabricated components， the seismic design level of reinforced concrete is continuously improved， and the final seismic design effect is discussed. The results show that this seismic design has very high reliability and feasibility， which not only reduces the seismic effect of the building structure， but also realizes the scientific optimization of the reinforcement of the components， in order to minimize the number of connections of prefabricated steel bars and improve the seismic effect of high-rise buildings， a solid foundation has been laid.

Key words：prefabricated components; reinforced concrete; high-rise building engineering; seismic design

最近幾年，隨著建筑抗震技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，裝配式構(gòu)件應(yīng)運而生，該構(gòu)件憑借著自身高準(zhǔn)確性、強靈活性等特征，被廣泛地應(yīng)用于鋼筋混凝土高層建筑工程抗震設(shè)計中，為保證高層建筑抗震設(shè)計的可靠性、安全性和經(jīng)濟性發(fā)揮出重要作用。為了確保高層建筑在地震中擁有較高的抗震性能，在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，如何對鋼筋混凝土高層建筑工程進行科學(xué)抗震設(shè)計是設(shè)計人員必須思考和解決的問題。

1 工程概況

某高層建筑工程在具體的施工中，主要利用裝配式構(gòu)件，采用鋼筋混凝土建筑的方式，將預(yù)制率設(shè)置在50%以上，將裝配率設(shè)置在70%以上，該工程的結(jié)構(gòu)形式設(shè)置為裝配式構(gòu)件剪刀力墻結(jié)構(gòu)，同時，還要將外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)置為幕墻結(jié)構(gòu)[1]，當(dāng)建筑樓層超過7層后，方可采用裝配式構(gòu)件，高層建筑結(jié)構(gòu)整體ETABS三維模型如圖1所示。此外，梁板在具體的運用中，均利用預(yù)制疊合技術(shù)，使得總建筑面積達到44000m2，其中地上樓層為19層，地下樓層為3層，高層建筑總高度達到了82.5m，該工程抗震度達到了7°[2]，此外，還將地震加速度、風(fēng)壓分別設(shè)置為0.1g、0.50kN/m2。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

2.1 抗震設(shè)計目標(biāo)

為了提高該工程抗震設(shè)計水平，設(shè)計人員要在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，降低上部結(jié)構(gòu)地震作用，同時，還要提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能[3]，以保證人們居住的可靠性和安全性。

2.2 抗震支座的布置

為了盡可能縮小高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)量，設(shè)計人員需要在高層建筑結(jié)構(gòu)的周圍布置含有鉛芯的抗震支座，然后，在綜合考慮抗風(fēng)和抗震相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，共設(shè)置76個抗震支座，其中，直徑為1000mm的鉛芯橡膠支座為4個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LRB1000”;直徑為1000mm的橡膠支座為4個，該橡膠支座簡稱為“LNR1000”;直徑為900mm的鉛芯橡膠支座為16個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LRB900”;直徑為800mm的鉛芯橡膠支座為14個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LRB800”;直徑為800mm的橡膠支座為4個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LNR800”;直徑為700mm的橡膠支座為34個[4]，該橡膠支座簡稱為“LNR700”。鉛芯橡膠抗震支座參數(shù)如表1所示。

2.3 抗風(fēng)驗算

為了更好地驗證高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計人員還要重視對抗震層的抗風(fēng)驗算。首先，設(shè)計人員要嚴(yán)格按照抗風(fēng)承載力設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將該工程的抗風(fēng)裝置設(shè)置為鉛芯橡膠抗震支座，從而實現(xiàn)對該支座的水平屈服荷載力的有效控制和調(diào)整。同時，還要將風(fēng)載分項系數(shù)設(shè)置為1.5，采用讀取PKPM的方式，將非抗震結(jié)果層剪力設(shè)置為4629.5kN。經(jīng)過一系列的驗算，發(fā)現(xiàn)該工程所選用的鉛芯橡膠抗震支座符合抗震結(jié)構(gòu)抗風(fēng)驗算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.4 抗震支座壓應(yīng)力驗算

為了進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計人員還要加強對抗震支座壓應(yīng)力驗算。首先，要在重力荷載下，控制和調(diào)整抗震支座的壓應(yīng)力[5]，在此基礎(chǔ)上，利用裝配式構(gòu)件，將抗震支座的編號設(shè)置為同一號碼，使得抗震支座的壓應(yīng)力被控制在15MPa以下，以滿足高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 模型建立與驗證

為了更好地驗證高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計人員要重視對模型的構(gòu)建和驗證。首先，利用ETABS軟件，針對抗震結(jié)構(gòu)的特點，對高層建筑各個樓層進行隔板假定處理，同時，還要在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，將鋼筋混凝土、框架柱和剪力墻進行有效地結(jié)合，使其結(jié)合為統(tǒng)一整體，從而實現(xiàn)對ETABS模型構(gòu)建的精確性[6]。此外，還要在綜合考慮抗震結(jié)構(gòu)和非抗震結(jié)構(gòu)模型相關(guān)設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，精確地計算和統(tǒng)計非抗震結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量、剪力和周期，從而獲得如表2所示的非抗震結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期對比。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，通過構(gòu)建ETABS模型與PKPM模型，所獲得的非抗震結(jié)構(gòu)質(zhì)量和前三個階段的周期差均控制在10%以內(nèi)，說明非抗震結(jié)構(gòu)具有良好的吻合程度[7]。由此可見，通過利用ETABS軟件所構(gòu)建的模型具有一定的可行性和有效性。

3.2 抗震結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通過利用ETABS軟件，采用連接單元與縫單元相結(jié)合的方式，對抗震支座進行科學(xué)模擬，提高抗震結(jié)構(gòu)模型的最終模擬效果，并獲得如表3所示的隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)模態(tài)對比結(jié)果，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，通過新增鉛芯橡膠抗震支座[8]，可以最大限度地延長高層建筑結(jié)構(gòu)自振周期，使得地震響應(yīng)速度降到最低，以達到提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

3.3 地震波選取

為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計水平，設(shè)計人員在選取地震波的過程中，分別選取兩條人工波和五條天然波，在此基礎(chǔ)上，采用時程分析的方式，對非抗震結(jié)構(gòu)進行減震處理，并得到高層建筑結(jié)構(gòu)基座剪力，然后，嚴(yán)格按照地震動時程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，實現(xiàn)對底部剪力的科學(xué)控制和調(diào)整，并匯總和整理地震時程曲線相關(guān)數(shù)據(jù)，為優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提供重要的依據(jù)和參考。此外，還要針對振型分解需求，確保高層建筑結(jié)構(gòu)底部剪力符合相關(guān)規(guī)范和要求，為進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生積極的影響[9]。

3.4 樓層剪力

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的過程中，設(shè)計人員要重視對樓層剪力的控制，確保該結(jié)構(gòu)抗震防裂強度達到七度，然后，在降低設(shè)防地震幅度的前提下，從非抗震結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)兩個方面入手，盡可能降低地震影響程度，為進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能打下堅實的基礎(chǔ)[10]。此外，設(shè)計人員還要沿著水平方向，根據(jù)抗震設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對剪力和浮力進行調(diào)整和控制，將地震波降到最低，從而實現(xiàn)對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的科學(xué)設(shè)計，最后，還要重視對高層建筑結(jié)構(gòu)水平減震系數(shù)的控制，確保水平減震系數(shù)與樓層剪力相吻合，避免兩者數(shù)值相差過大而影響高層建筑結(jié)構(gòu)最終抗震設(shè)計效率和效果。與非抗震結(jié)構(gòu)相比，抗震結(jié)構(gòu)所獲得的水平減震系數(shù)較高，由此可見，通過利用鉛芯橡膠抗震支座，對高層建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計，不僅降低了上部結(jié)構(gòu)的地震效果，還最大限度地提高了上部結(jié)構(gòu)的抗震性能，為保證高層建筑的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，保證人們居住安全打下堅實的基礎(chǔ)。

3.5 抗震層位移

設(shè)計人員在進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的過程中，要重視對抗震層位移的控制。首先，要將抗震設(shè)防烈度設(shè)置為7°，然后，借助地震作用，將各個抗震支座進行有效地結(jié)合，使其成為一個統(tǒng)一整體，便于設(shè)計人員的集中化管理和使用，同時，還要嚴(yán)格按照抗震層位移相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對抗震支座水平位移量進行科學(xué)控制和調(diào)整，避免因抗震支座水平位移出現(xiàn)偏差而嚴(yán)重影響高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，進而為居民造成不必要的麻煩。

3.5.1 抗震支座水平位移驗算

為了更好地驗證高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計操作的有效性和可靠性，設(shè)計人員要針對該工程的施工需求，利用多種類型的抗震支座，實現(xiàn)對鉛芯橡膠抗震支座直徑的科學(xué)控制和調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，針對橡膠層的實際厚度，根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，精確計算抗震支座的水平位移量，然后，在地震的作用下，對抗震支座的最大水平位移量進行計算和統(tǒng)計，從而保證位移量計算結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性，從而進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)性和科學(xué)性。

3.5.2 抗震縫確定

在節(jié)能高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的過程中，設(shè)計人員要在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，完成對抗震縫的精確計算和界定。首先，要針對抗震結(jié)構(gòu)的特點，在地震的作用和影響下，將抗震支座水平位移量設(shè)置為140.9mm，同時，還要將抗震縫設(shè)置為17.89mm，將該工程的抗震縫寬度設(shè)置為250mm，為后期更好地控制高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提供重要的依據(jù)和參考。

3.6 抗震支座拉應(yīng)力驗算

為了保證對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計水平，保證高層建筑的安全性，設(shè)計人員在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，要重視對抗震支座拉應(yīng)力的驗算，確?？拐鹬ё瓚?yīng)力符合抗震設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。首先，設(shè)計人員要在綜合考慮鉛芯橡膠抗震支座特性的基礎(chǔ)上，盡可能提高該支座的拉壓平衡性，確保在驗算操作規(guī)范的情況下，采用構(gòu)建拉壓剛度模型的方式，盡可能地提高鉛芯橡膠抗震支座的剛度和硬度，同時，還要在地震的作用和影響下，對各個鉛芯橡膠抗震支座的最大拉應(yīng)力進行一一檢驗，確保該支座的拉應(yīng)力符合抗震設(shè)計相關(guān)規(guī)范和要求，只有這樣，才能進一步提高鉛芯橡膠抗震支座的最大承載力，避免因該支座承載力過小而降低高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。同時，為了保證抗震支座拉應(yīng)力最終計算結(jié)果的真實性、準(zhǔn)確性和完整性，設(shè)計人員還要通過利用裝配式構(gòu)件，針對鋼筋混凝土的使用特點，實現(xiàn)對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能不斷修改、優(yōu)化和完善，為進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震效率和效果，保證居民的財產(chǎn)安全和人身安全發(fā)揮出重要作用。另外，還要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，將鉛芯橡膠抗震支座拉應(yīng)力設(shè)置在1MPa以下，從而最大限度地提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.7 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析模型構(gòu)建

在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，為了進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計人員在進行抗震設(shè)計的過程中，要重視對抗震分析模型的構(gòu)建和應(yīng)用，確?？拐鹪O(shè)計工作有據(jù)可依，有章可循。首先，要利用裝配式構(gòu)件，根據(jù)高層建筑工程施工需求，盡可能提高各個樓面的變形量，同時，還要采用擴大樓面剛度的方式，將各個樓面進行有效地結(jié)合，不斷地擴大樓面的規(guī)模和數(shù)量，為后期更好地開展抗震設(shè)計工作打下堅實的基礎(chǔ)。同時，還要采用水平振動的方式，利用地震的作用和影響，確保各個樓層蓋能夠沿著水平方向進行振動，并保證高層建筑結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，從而進一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。此外，設(shè)計人員要根據(jù)抗震設(shè)計需求，在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，盡可能提高高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和堅固性，避免因高層建筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定埋下一系列的安全隱患。此外，在構(gòu)建高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析模型的過程中，設(shè)計人員還要利用自有振動方程，精確地計算和統(tǒng)計高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)點數(shù)、自由度和恢復(fù)力。其中，在計算質(zhì)點數(shù)的過程中，設(shè)計人員要采用串聯(lián)質(zhì)點的方式，將所有豎桿上的質(zhì)點進行有效地連接，在此基礎(chǔ)上，針對房屋樓層數(shù)，精確計算和統(tǒng)計高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)點數(shù)量。在計算高層建筑結(jié)構(gòu)自由度的過程中，設(shè)計人員要采用構(gòu)建二維空間的方式，將多個質(zhì)點進行串聯(lián)處理，然后，采用自由振動的方式，將所有質(zhì)點獨立移動到特定的位置，然后，計算出各個質(zhì)點系的自由度，為后期更好地優(yōu)化抗震設(shè)計流程提供重要的依據(jù)和參考。在計算高層建筑結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的過程中，設(shè)計人員要針對高層建筑結(jié)構(gòu)的水平針對狀態(tài)，根據(jù)各個質(zhì)點對應(yīng)的恢復(fù)力，采用側(cè)移的方式，將各個質(zhì)點移動到相應(yīng)的區(qū)域，然后，利用水平桿對質(zhì)點的影響，在保證豎桿件和樓蓋不變形的前提下，完成對高層建筑結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的科學(xué)計算。最后，為了進一步地提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析模型的構(gòu)建水平，設(shè)計人員還要借助高層建筑的剛度矩陣，采用串聯(lián)多個質(zhì)點的方式，將各個質(zhì)點進行有效地連接，確保豎向桿與水平桿能夠沿著質(zhì)點的方向進行移動，以實現(xiàn)對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析模型的科學(xué)建構(gòu)和應(yīng)用，只有這樣，才能充分發(fā)揮和利用裝配式構(gòu)件的應(yīng)用優(yōu)勢，實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的全面提高。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對鋼筋混凝土高層建筑工程進行抗震結(jié)構(gòu)和非抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，對高層建筑的抗震性能進行驗算和分析，得出以下結(jié)論：

（1）與非抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計在前3個階段中，可以將自振周期最小擴大倍數(shù)控制在2倍之內(nèi)，不僅有效地延長了抗震結(jié)構(gòu)使用壽命，還降低了上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)程度。

（2）當(dāng)高層建筑在水平向減震系數(shù)被控制在0.512以下時，抗震結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)達到了0.048，為降低上部結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)，提高上部結(jié)構(gòu)的抗震效果提供有力的保障。

（3）通過采用重力荷載的方式，可以實現(xiàn)對抗震支座壓應(yīng)力的有效控制和調(diào)整，確保在地震作用下，抗震支座的水平位移滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。由此可見，在裝配式構(gòu)件的應(yīng)用背景下，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能得到有效提高，為保證人們居住的安全性和可靠性提供有力的保障。

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