高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

馬秀娟

(民勤縣建筑設(shè)計(jì)室,甘肅 民勤 733399)

本文所分析的工程案例屬于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的高層建筑,需要充分考慮到建筑整體結(jié)構(gòu)以及薄弱的部分,迎合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件需要,符合高層建筑建設(shè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),從多個(gè)方面綜合提升抗震性能,結(jié)合理論與經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)。

1 工程概況

該建筑工程位于某城市的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)域,分為地上和地下兩部分。地上部分的建筑結(jié)構(gòu)總共有6個(gè)單體,本次主要探討的單體位于整個(gè)建筑工程項(xiàng)目上部左側(cè)的框架結(jié)構(gòu)體系,該單體的總體高度為61.5 m,屋面框架的層面高度為67.2 m。標(biāo)準(zhǔn)的層高為4.5 m,另外有一層的層高為7.1 m。整個(gè)單體總建筑面積約為23 200 m2,地下室的總體建筑面積約為8 500 m2。地下室頂板采取的固定方式為嵌固型,填埋深度約為16.3 m,地下室的建筑體主要采取了現(xiàn)澆混凝土框架及剪力墻的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行構(gòu)建,整體的緊密性較為良好。地上部分的樓層總共有20層,不同的層段所執(zhí)行的功能有所區(qū)別,主要分為辦公層、避難層、玩樂層、觀光層等。為了有效保障高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,主體結(jié)構(gòu)主要采用了框架核心筒的結(jié)構(gòu),并且加設(shè)了許多能夠有效抗震的設(shè)計(jì)。

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 工程地質(zhì)概況

該工程所處區(qū)域的地貌形態(tài)為丘陵,建筑工程的建設(shè)區(qū)域內(nèi),地面表層的地勢略有起伏,可能會影響抗震設(shè)施的效果,除此之外,場地內(nèi)部基本無不良地質(zhì)。根據(jù)實(shí)際的勘察報(bào)告顯示,在地基層的土層中,主要為黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖黏土,其厚度達(dá)到6.1～11.2 m。

2.2 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)勘察報(bào)告可知,本工程的各單體樁體處采用鉆孔灌注樁,可達(dá)到更良好的抗壓效果。鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足實(shí)際的工程需求,在樁柱的端口持力層,可以鋪設(shè)灰色的含礫粉砂或者灰黃色的粉砂。在設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁時(shí),要定點(diǎn)測試單樁抗壓承載力的數(shù)值,確?？箟撼休d力的數(shù)值和抗撥承載力的數(shù)值都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合安全保護(hù)區(qū)域的要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),建造不同強(qiáng)度和長度的鉆孔灌注樁[1]。結(jié)合底板的受力情況和整體樁柱的分布情況,在各個(gè)建筑的單體區(qū)域下,鋪設(shè)不同的鉆孔灌注樁。在設(shè)計(jì)的過程中采取一樁一柱的形式,測算單樁承載力特征值,進(jìn)行單樁承載力的試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整實(shí)際的樁體脊柱布置方案,結(jié)合豎向荷載和整個(gè)樓體的載重?cái)?shù)值以及荷載標(biāo)準(zhǔn),測算出每根樁柱承擔(dān)的荷載質(zhì)量,與此同時(shí),要控制樁基的水平荷載組合,使其能夠滿足規(guī)范。注意結(jié)合核心筒底板的厚度增設(shè)不同的樁柱礅,還可以適當(dāng)增加基礎(chǔ)梁柱,增強(qiáng)樁基結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性和整體性[2]。

2.3 地基材料的選擇

為了增強(qiáng)高層建筑地基構(gòu)造的抗震能力和穩(wěn)定性,應(yīng)當(dāng)在前期選取材料時(shí)進(jìn)行充分的調(diào)研,盡可能采取抗震性能更好的特殊材料,將地震作用力對地基造成的負(fù)面影響和危害降到更低。在對地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理時(shí),可以采取砂子與黏土交替鋪設(shè)的方式,減少地震對地基造成的破壞。除此之外,要在地下室增加防水混凝土表層,在筏板基礎(chǔ)底部另外鋪設(shè)性能優(yōu)秀的防水材料。而且還可以采用瀝青材料加設(shè)地基隔震層,利用瀝青材料所鋪設(shè)的緩沖層分走一部分的震動(dòng)力。不同類型的抗震材料見表1。

表1 抗震材料類別

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 超限情況及具體措施

建筑體上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超限情況主要分為三種類型:第一種是高度超限情況,應(yīng)當(dāng)采取數(shù)據(jù)化的軟件模型進(jìn)行地震模式下的整體彈性運(yùn)算測試,進(jìn)一步利用彈性行程分析,對多種情況的地震形勢進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算,再采用相應(yīng)的凈力彈塑性分析方法,檢驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)在遇到航線的地震情況時(shí)的抗震性能。加強(qiáng)底部核心筒剪力墻當(dāng)中的抗剪承載力設(shè)計(jì),使得剪力墻截面能夠滿足截面剪應(yīng)力的控制要求。第二種情況是樓板開洞較大,已經(jīng)出現(xiàn)了局部樓板不連接的情況,此時(shí)可以在平板薄弱的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)救。第三種情況是樓板出現(xiàn)了局部的大開動(dòng)情況,甚至可能出現(xiàn)了躍層柱開洞情況。此時(shí)應(yīng)當(dāng)使層柱的剪力不小于普通柱,結(jié)合不同的超限情況,分工程擬定抗震性能目標(biāo)[3]。擬定目標(biāo)主要由抗震強(qiáng)度劃分,即小震時(shí)不損壞,中震時(shí)可修復(fù)損壞,大震時(shí)不倒塌。在對抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí),還要綜合考量構(gòu)件的承載能力系數(shù)、荷載分項(xiàng)系數(shù)。研究剪力墻結(jié)構(gòu)在不同震度受拉的情況之下,建筑結(jié)構(gòu)體所能承受的最大壓力和力矩。

3.2 抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合不同的地震情況,綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、專業(yè)性、科學(xué)性,設(shè)定性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方案,落實(shí)整體樓層結(jié)構(gòu)的抗震方案,對于關(guān)鍵的承載部分,比如屋面懸桃端部、屋面懸掛桁架等區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)。在針對性地布置結(jié)構(gòu)平面時(shí),應(yīng)當(dāng)盡力將每一個(gè)層面中的質(zhì)心和重心向同一個(gè)區(qū)域重合或靠近。盡可能采用低容重的墻體材料,才能有效降低發(fā)生震動(dòng)時(shí)墻體自重帶來的連帶壓力。整個(gè)樓層都采用鋼筋桁架組合的樓板,因此各個(gè)區(qū)域之間可能會伴隨一定的洞口和相距距離較大的連接部分,為了應(yīng)對復(fù)雜情景下的剛度變化,應(yīng)當(dāng)針對小震、中震、大震等不同情況,對樓板進(jìn)行應(yīng)力分析,根據(jù)分析所得結(jié)果找出樓板的薄弱部分,對該部分進(jìn)行配筋[4]。

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的抗震設(shè)計(jì)

4.1 建筑層間隔震

高層建筑每個(gè)樓層之間的受力情況都有所差別,在建筑層間增加相應(yīng)措施,能夠形成延續(xù)性較強(qiáng)、統(tǒng)一性較強(qiáng)的抗震結(jié)構(gòu)體,為整體的建筑抗震工作帶來更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其中,隔震的處理形式能夠有效控制住部分振動(dòng)所帶來的破壞力,在層間加設(shè)摩擦滑移隔震處理裝置或橡膠墊裝置(見圖1)也能夠保障基礎(chǔ)的抗震要求。因此,應(yīng)當(dāng)結(jié)合建筑基礎(chǔ)設(shè)置隔震技術(shù),減弱地震作用力向上傳遞的效果,進(jìn)而可以控制住地震能量波的傳播。相較于傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)而言,隔震層結(jié)構(gòu)能夠起到更良好的阻隔效果[5]。

圖1 橡膠墊隔震裝置

4.2 結(jié)構(gòu)懸掛抗震

懸掛抗震法在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中屬于一種重要且有效的形式。采用建筑體中的某一部分結(jié)構(gòu),以懸掛的形式減少整體結(jié)構(gòu)所受到的地震作用力干擾,尤其在地震災(zāi)害發(fā)生的過程中,能量波基本不會向上傳遞到經(jīng)過懸掛的結(jié)構(gòu),有效抑制了部分地震作用力的傳遞,尤其是在采用了大型鋼材料的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中,通常都會采取懸掛隔震的抗震設(shè)計(jì)形式[6]。在對主框架和子框架進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)操作時(shí),可以將子框架通過吊桿等材料懸掛于主框架之上,削弱了部分地震作用力,使得整體結(jié)構(gòu)的抗震性能得到增強(qiáng)。抗震支吊架示意見圖2。

圖2 抗震支吊架示意圖注:1—結(jié)構(gòu)體;2—長螺母;3—長螺桿;4—方墊片;5—槽鋼緊固件;6—膨脹螺栓;7—抗震連接構(gòu)件;8—槽鋼;9—快速抗震連接構(gòu)件

4.3 多道抗震防線

普通的建筑工程中只需要加設(shè)一道或兩道抗震防線,但是對于高層建筑而言,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,發(fā)生地震時(shí)受到的危害力度較大,可以設(shè)置多道抗震防線。相較于單道抗震防線而言,多道抗震防線能夠持續(xù)增強(qiáng)高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,最大程度上減少因地震作用力所帶來的危害,即使第一道防線的構(gòu)件遭到破壞,在此后的多道防線當(dāng)中也能夠保護(hù)建筑結(jié)構(gòu),有利于抵御振動(dòng)級別較大的地震,具備較強(qiáng)的抗干擾能力和抵御能力。尤其是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜或倒塌時(shí),更需要設(shè)置多道抗震防線,采取多道框架剪力墻或筒中筒等結(jié)構(gòu)形式落實(shí)多道抗震防線。

4.4 綜合使用多項(xiàng)抗震措施

由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正朝著多元化的方向發(fā)展,高層建筑的施工方案也愈加復(fù)雜,想要綜合且全面地使整體高層建筑中的各個(gè)模塊都獲得較強(qiáng)的抗震干擾能力,就需要綜合使用多項(xiàng)抗震措施。在多元化的架構(gòu)體系當(dāng)中,要充分考慮實(shí)際情況,建立起穩(wěn)定安全、相對牢固的保障措施,持續(xù)增強(qiáng)建筑主體的耐久性[7]。對高度和厚度等數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算,優(yōu)化控制各項(xiàng)重要的指標(biāo),提升建筑建設(shè)水平,提高安全保障的能力,提升抗震措施建設(shè)工藝,對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)其在架構(gòu)上的不足。

4.5 優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)體系

切實(shí)提升建筑結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)合理性。在地震頻率發(fā)生狀況的地區(qū)還需要采取更加專業(yè)化的測量方式以及模型模擬形式,嚴(yán)格測算不同振動(dòng)級別下高層建筑結(jié)構(gòu)體系可能產(chǎn)生的變化,并判定該變化是否會影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,再對特定的區(qū)域進(jìn)行主體加固的結(jié)構(gòu)布局方法。當(dāng)發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)體仍然出現(xiàn)了抗震性能不達(dá)標(biāo)的情況時(shí),要針對性地找出產(chǎn)生問題的具體原因,建立起標(biāo)準(zhǔn)明確、信息透明的高層建筑抗震系統(tǒng),持續(xù)結(jié)合各項(xiàng)反饋結(jié)果,不斷調(diào)整質(zhì)量管理方案。除此之外,還需以創(chuàng)新的精神對各項(xiàng)防震技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),提升其效果[8]。

5 結(jié)語

綜上所述,高層建筑都十分注重抗震設(shè)計(jì),為了有效提升高層建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能,將地震等地質(zhì)災(zāi)害所帶來的傷害降低至最小,在地下室中,主要采取了現(xiàn)澆混凝土框架及剪力墻的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行構(gòu)建。依據(jù)不同位置的安全保護(hù)區(qū)域的要求和具體的規(guī)范,要建造不同強(qiáng)度和長度的鉆孔灌注樁。上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超限情況主要分為三種類型,結(jié)合不同的超限情況,分工程擬定抗震性能目標(biāo)。結(jié)合不同的地震情況綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、專業(yè)性、科學(xué)性,綜合設(shè)定性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方案。結(jié)合建筑構(gòu)造的抗震設(shè)計(jì),做好建筑層間隔震。高層建筑應(yīng)具備多層樓層,每個(gè)樓層之間的受力情況都有所差別,在建筑層間增加相應(yīng)的措施,能夠形成延續(xù)性較強(qiáng)、統(tǒng)一性較強(qiáng)的抗震結(jié)構(gòu)體,可以通過設(shè)置多道抗震防線,綜合使用多項(xiàng)抗震措施,確保整體高層建筑中的各個(gè)模塊都能達(dá)到更高的質(zhì)量。