高層建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設計及其大震彈塑性分析

李 濤

（山西工程職業(yè)學院，山西 太原 030011）

0 引言

高層建筑在提高土地資源利用率方面有突出的作用，但其建設規(guī)模大，質(zhì)量要求高，可因外部作用而發(fā)生局部失穩(wěn)乃至坍塌等事故，因此如何有效提高建筑的抗震性能是值得重點探討的內(nèi)容。為保障高層建筑的安全使用，亟需加強對抗震設計方法的探索，明確對抗震效果造成影響的關鍵因素，確定適用于高層建筑的抗震設計方法，制定抗震方案并落實到位，切實提高高層建筑的抗震性能。本文在淺談高層建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設計的基礎上，對大震彈塑性分析方法——Pushover靜力彈塑性分析方法的應用進行分析介紹。

1 影響高層建筑抗震效果的關鍵因素

1.1 材料性能和施工的影響

材料性能對建筑結(jié)構(gòu)抗震效果有顯著的影響，在同等地震條件下，若選用的建材質(zhì)量越高，則相應的抗震性能越好，對地震作用力的抵御能力增強，否則將由于材料質(zhì)量低下而加大失穩(wěn)、坍塌的可能。即便部分材料在日常使用中無異常狀況，但受到地震或是其他外部作用時，將發(fā)生事故，因此合理選擇材料尤為關鍵。建筑建設中可以考慮樓板、隔斷等相關構(gòu)件的應用，具體材料包含空心磚、加氣混凝土板等，此類材料具有輕質(zhì)化、抗震性能突出的特點，有利于提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果。在日常施工中，必須加強對各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，確保建設成型的建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震要求。

1.2 結(jié)構(gòu)設計的影響

抗震是建筑結(jié)構(gòu)設計中的重點內(nèi)容，必須采取科學可行的抗震措施，達到小震不壞、大震不倒的效果。若建筑物的平面布置較為復雜，在質(zhì)心和剛心不一致的條件下，結(jié)構(gòu)對地震作用的抵御能力有限，易因地震作用而受損。因此，需要合理優(yōu)化建筑的結(jié)構(gòu)平面布置，確保質(zhì)心和剛心保持重合，此時建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能將有所提升。超出屋面建筑部分的高度必須得到有效的控制，以減小地震對其造成的不良影響。還有部分建筑的平面布置不規(guī)則，在抗震設計中需要著重考慮距離建筑結(jié)構(gòu)剛心遠端的抗震墻以及各類與抗震有關的重要結(jié)構(gòu)，對其進行深化設計，保證形式、受力等方面的合理性。

1.3 建設現(xiàn)場地質(zhì)條件的影響

建筑物出現(xiàn)破壞的誘因較多，例如巖石斷層、山體崩塌導致地表運動，進而迫使建筑出現(xiàn)不同程度的破壞現(xiàn)象；此外，建筑還有可能受到水災、海嘯等次生災害的影響。為盡可能減小受外部因素的影響，需要在設計階段做好現(xiàn)場勘探工作，評估是否存在對建筑造成不利影響的因素以及各項因素的具體影響程度，盡可能避開不利地段，從而在源頭上規(guī)避不良影響。

2 高層建筑的抗震設計方法

2.1 盡可能減小地震條件下能量的輸入

高層建筑抗震設計中采用基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，做定量分析，確保在預期地震作用力下結(jié)構(gòu)所具有的變形彈性可達到要求。注重對建筑構(gòu)件承載力的驗算，嚴格控制地震時建筑的層間位移限值；理清建筑結(jié)構(gòu)變形和位移兩項參數(shù)的關系，明確構(gòu)件的變形量；加強對建筑應變分布和大小的分析，以此為出發(fā)點，確定具體的構(gòu)造需求，再針對性地開展設計工作。高層建筑的建設規(guī)模較大，宜建設在堅固、平整的地基上，減小地震發(fā)生時的能量輸入，控制外部對高層建筑的影響，以免出現(xiàn)大范圍的破壞現(xiàn)象。

2.2 靈活應用高延性設計、隔震措施等

延性結(jié)構(gòu)是高層建筑抗震設計中常采用的結(jié)構(gòu)形式，其基本思路是允許結(jié)構(gòu)在地震時進入較大延性的塑性狀態(tài)，以此來控制地震作用的能量，削弱地震對高層建筑造成的不良影響。在保證建筑有較高延性后，即便其承載性能有限，也依然不易在地震作用下發(fā)生倒塌，原因在于延性構(gòu)件具有吸收能量的作用，能經(jīng)受較大的結(jié)構(gòu)變形。在科學的延性設計方式下，能夠消耗地震能量，達到“裂而不倒”的抗震效果。

2.3 合理選擇抗震結(jié)構(gòu)并予以優(yōu)化

對于高度在150m以上的高層建筑，通常采用框-筒、筒中筒、框架-支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)合我國的工業(yè)發(fā)展狀況，鋼材生產(chǎn)規(guī)模較大，鋼結(jié)構(gòu)的加工水平正逐步提高，因此在條件允許時宜優(yōu)先考慮鋼材的應用，例如設計鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，通過此類結(jié)構(gòu)的應用，減小柱斷面尺寸，提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。此外，不宜采取以硬性為主的抗震模式，相比之下更具可行性的是以柔性為主的抗震模式，通過此方式減弱地震時釋放的沖擊力。

2.4 注重高層建筑建設材料的選擇

合理選擇建筑材料是提高建筑抗震性能的重要途徑，在選材時需注重對參數(shù)變異性的分析。從抵抗地震的角度來看，其關鍵在于控制建筑結(jié)構(gòu)的延性需求，因此要求工程人員綜合考慮建筑工程的各方面，經(jīng)過優(yōu)中選優(yōu)后，挑選出抗震性能突出的建筑材料。

2.5 聯(lián)合構(gòu)建多道抗震防線

高層建筑的抗震設計需要集多項措施于一體，即建立起多道防線，全面提升建筑對地震的抵抗能力，即便第一道防線遭到攻擊，其他各道防線也依然可以有效阻擋地震作用力，減小地震對建筑造成的不良影響。在高層建筑多道防線的設計中，可考慮框架剪力墻等具有較強抗震性能的結(jié)構(gòu)，以便建立高層建筑的第一道防線。與此同時，剪力墻還是重要的抗側(cè)力構(gòu)件，因此需要保證剪力墻在承受能力、數(shù)量等方面均具有合理性?？紤]剪力墻開裂后重新分配的地震作用，按框架和墻兩部分結(jié)構(gòu)開展抗震設計工作，充分發(fā)揮出各自在分配地震剪力方面的作用，避免外力集中作用于某處[1]；在剪力墻結(jié)構(gòu)的設計中，可以考慮連梁的應用，以此來增強剪力墻的抗震性能。

3 高層建筑抗震設計方法在工程實例中的應用

3.1 工程概況

某工程項目總建筑面積645265m2，重點建設內(nèi)容包含高層住宅、超高層住宅等，總建筑量共20棟。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，結(jié)構(gòu)設計基準期為50年。

3.2 大震截面抗剪分析

考慮底部剪力墻墻肢抗剪截面承載力驗算，此處的計算采用SATWE軟件，高效計算底部墻肢的剪力。結(jié)合建筑工程建設狀況，荷載分項系數(shù)取1.0，地震影響系數(shù)按大震取值，建筑材料強度取標準值，構(gòu)件內(nèi)力和承載力的調(diào)整系數(shù)均取1.0。按公式（1）計算，確定構(gòu)件的抗剪承載力：

式中，系數(shù)βc的取值根據(jù)混凝土強度等級而定，不超過C50時取0.80，達到C80時取0.74；fc為混凝土軸心抗壓強度標準值；b為矩形截面寬度；h0為截面有效高度。根據(jù)剪力墻的尺寸確定b和h0，其中b取剪力墻厚度，h0取剪力墻截面有效高度。

根據(jù)計算結(jié)果可知，相比按規(guī)范計算的抗剪承載力，底部各墻肢剪力均更小，表明在大震作用下結(jié)構(gòu)可達到受剪不屈服的良好狀態(tài)。

3.3 大震彈塑性分析

3.3.1 分析方法

（1）靜力彈塑性分析法。首先以傳統(tǒng)抗震設計方法開展設計工作，在此基礎上圍繞設計成果做靜力彈塑性分析，以此來評估結(jié)構(gòu)的抗震特性。加載靜力荷載直至其達到結(jié)構(gòu)的最大性能點，確定此條件下結(jié)構(gòu)變形和橫向荷載兩項參數(shù)，分析兩者具備的關系，同時考慮反應譜計算的抗震性能要求，評估結(jié)構(gòu)的抗震性能是否達到要求。按前述思路進行分析后，確定性能反應譜和設計反應譜，綜合分析兩者，產(chǎn)生的交點即為性能控制點。在性能點的計算分析中，首先考慮假設位移延性比，而后確定各延性比對應的有效周期，將其圖形與非線性設計響應譜做對比分析，確定兩者產(chǎn)生的交點，由此生成軌跡線，最終的性能點則指的是軌跡線與結(jié)構(gòu)能力譜的交點[2]。

（2）Pushover分析法。以等效單自由度體系為基礎展開分析，遵循特征周期相等的等效原則，經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理后獲得單自由度體系。為順利完成等效轉(zhuǎn)換，需建立在如下假設的前提下：按假定的側(cè)移形狀發(fā)生地震反應；轉(zhuǎn)換前后的兩種體系在基底剪力方面保持一致；轉(zhuǎn)換前后兩種體系在相同水平地震力作用下所做的功保持一致。為更加精簡地分析，暫不考慮彈性階段結(jié)構(gòu)各階振型間的耦合作用，并確定等效剛度Keff、等效質(zhì)量Meff、等效加速度aeff等基本參數(shù)。等效過程如圖1所示。

圖1 單自由度體系的等效過程

假定在水平方向各質(zhì)點均為簡諧振動，則按照如下公式展開計算，依次得到質(zhì)點的位移和加速度：

按前述公式計算后，確定加速度與位移，根據(jù)兩者呈正比的關系，則有：

假定兩種結(jié)構(gòu)體系所做的功保持一致，則有：

單自由度體系的等效質(zhì)量和等效目標位移依次按如下方法計算而得：

基底剪力為：

式中，Keff為割線剛度（發(fā)生在最大位移時）。

3.3.2 采取Pushover分析方法分析彈塑性

此處采取的是Pushover分析方法，根據(jù)分析有效性和便捷性的要求，選用的是業(yè)內(nèi)主流的MIDAS/Gen，高層建筑結(jié)構(gòu)模擬采用2D-梁單元、3D-梁-柱單元等形式?？蚣芰旱牧憾藶镸-M彎曲鉸，剪力墻的兩端和框架柱的柱端均為P-M-M軸力—彎曲相關鉸。

3.3.3 分析結(jié)果描述

結(jié)構(gòu)X向、Y向基底剪力—位移曲線見圖2、圖3。結(jié)合圖2、圖3所示的結(jié)果展開分析：控制位移為0.9m時，無論是X向還是Y向曲線，均不存在下降段，這一結(jié)果表明結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)垮塌的情況，由此也進一步表明結(jié)構(gòu)在抗震和抗傾覆兩方面有突出的表現(xiàn)。

圖2 結(jié)構(gòu)X向基底剪力—位移曲線

圖3 結(jié)構(gòu)Y向基底剪力—位移曲線

為進一步分析結(jié)構(gòu)的性能點，并考慮到大震作用條件，具體結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 結(jié)構(gòu)X向能力譜比需求譜

圖5 結(jié)構(gòu)Y向能力譜比需求譜

著重從結(jié)構(gòu)X向、Y向兩個方面著手，做相應的分析：

（1）結(jié)構(gòu)X向頂點控制位移為425.60mm，結(jié)構(gòu)等效阻尼為12.33%，相比小震作用的結(jié)構(gòu)基底剪力，大震時（達到29730kN）約為該值的3.54倍。在高層建筑中，不同樓層的層間位移角存在差異，其中以第20層最為明顯，達到1/240，其他各層均小于該值，但無論哪一層，該高層建筑的層間位移角均小于規(guī)范的1/120，由此表明在大震時建筑各層的層間位移角得到有效的控制。

（2）在前述分析的基礎上，進一步考慮結(jié)構(gòu)Y向，頂點控制位移為608.80mm，等效阻尼為7.01%，相比小震作用的結(jié)構(gòu)基底剪力，大震時（達到32440kN）約為該值的3.81倍。類似地，不同樓層的層間位移角存在差異，其中以第30層最為明顯，達到1/185，其他各層均更小，但無論哪一層，該高層建筑的層間位移角均小于規(guī)范的1/120，由此表明在大震時建筑各層的層間位移角得到有效的控制。

經(jīng)過對結(jié)構(gòu)最大層間位移角的分析后，確定具體發(fā)生部位，其中結(jié)構(gòu)X向在結(jié)構(gòu)中部，Y向則集中在中上部，與前述的Pushover分析結(jié)果做對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有趨同性。具體而言，在大震性能控制點后，結(jié)構(gòu)各項能力曲線均維持相對良好的狀態(tài)，即并未發(fā)現(xiàn)其存在下降段，反而呈現(xiàn)出一定幅度上升的曲線走向規(guī)律，此現(xiàn)象說明結(jié)構(gòu)仍有適量的承載力，在面對大震這一特殊的外部條件時可維持穩(wěn)定。經(jīng)過與結(jié)構(gòu)設計需求的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)X向和Y向的抗震性能均更高，結(jié)構(gòu)的抗震性較好，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，合理做好結(jié)構(gòu)抗震設計工作是高層建筑設計中的重點內(nèi)容，作為工程設計人員，必須以建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定為基本前提，以現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范為引導，結(jié)合高層建筑建設現(xiàn)場的地質(zhì)條件，針對性地開展設計工作。經(jīng)過抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、優(yōu)質(zhì)材料的選擇、力學性能分析與改進等多項措施的有效落實，盡可能提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，有效減小地震作用力對高層建筑造成的影響，以此使其達到抗震的效果。在高層建筑抗震的設計中，本文僅提出一些可供參考的內(nèi)容，相關人員仍需持續(xù)探索，注重理念的創(chuàng)新和方法的優(yōu)化，持續(xù)提高抗震設計水平。