工民建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計研究

谷永濤

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230000)

國內(nèi)地震發(fā)生次數(shù)較多，表現(xiàn)出較強的地震突發(fā)性、位置隨機性、災(zāi)害不可預(yù)測性等特點，需要加以防控，減少地震損失。當前，各國均在研究建筑結(jié)構(gòu)的抗震形式，以此增強工民建整體的抗震能力，積極防控地震問題，增強工民建結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，盡可能地防控地震風(fēng)險。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，設(shè)計師需明確抗震結(jié)構(gòu)的組成，從梁、柱等多個方面，給出抗震設(shè)計方案，以此增強抗震結(jié)構(gòu)性能。

1 N工程概況

N項目周邊交通發(fā)達，主建任務(wù)是1#高層，預(yù)計建筑高度為198.12m。N項目的各項設(shè)計目標，如表1所示。

表1 N項目各項設(shè)計目標

在地質(zhì)勘察期間，N項目施工范圍內(nèi)，未見不良地質(zhì)問題，參照工程勘察的相關(guān)要求，認定N項目施工區(qū)域內(nèi)，正處于“抗震一般”類型的地段。

2 N建筑抗震設(shè)計實踐分析

2.1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點

2.1.1 以建筑功能為出發(fā)點

發(fā)生地震時，震源位置會匯聚較多的地震波。如果建筑項目與震源相距不遠，震源波會形成一定沖擊作用，使建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損壞。為此，以往期實際發(fā)生的最強地震為參考，積極控制震源波帶來的沖擊作用，降低建筑結(jié)構(gòu)受損量，成為抗震設(shè)計工作的關(guān)鍵話題。值得注意的問題是建筑項目的底部位置，均應(yīng)擁有較強的抗震性能，以此保證建筑結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。風(fēng)壓、降水等自然條件，會形成一定荷載作用，在一定程度上會削弱工民建結(jié)構(gòu)的性能，從平穩(wěn)性、防護能力、耐用性各個方面，引起建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞。為此，抗震設(shè)計期間，設(shè)計者需綜合考量各類因素，以增強建筑功能為目標，給出全面的抗震設(shè)計方案，以此提高結(jié)構(gòu)抗震能力[1]。

2.1.2 依據(jù)結(jié)構(gòu)形式給出抗震設(shè)計

一般情況下，鋼混材料用于抗震設(shè)計時，需明確給出各位置的參數(shù)。設(shè)計人員應(yīng)盡量控制配筋率參數(shù)，以此保障建筑抗震性能。在橫縱兩類墻體結(jié)構(gòu)中，需進行防震縫設(shè)計。屋頂樓梯、電梯、建筑頂層等位置，進行結(jié)構(gòu)聯(lián)合設(shè)計，以此增強結(jié)構(gòu)整體的抗震效果。

2.1.3 合理分配建筑場地資源

一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)抗震表現(xiàn)，主要關(guān)聯(lián)于建筑場地。為此，工民建進行抗震規(guī)劃時，會考慮多個因素。1)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，從建筑外部組成、內(nèi)部構(gòu)造、建筑間距各方面加以考量。針對有礙于抗震設(shè)計、不利于人們撤離的物品，進行全面清理；2)應(yīng)對地震問題，設(shè)計相應(yīng)的安全出口，從數(shù)量、寬度等多個方面，進行疏散通道設(shè)計，保證疏散質(zhì)量；3)依據(jù)工程實況，進行地基處理，以此改善地基性能。

2.2 抗震設(shè)計方法

2.2.1 可靠性設(shè)計方法

地震事件具有“事發(fā)偶然性”“地點隨機性”等特點，會引起建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多種不可控問題。為此，以結(jié)構(gòu)可靠性為出發(fā)點，進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，是增強結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵措施?？煽啃栽O(shè)計期間，主要是利用“可靠度理論”“可靠指標”，綜合評價特定結(jié)構(gòu)的性能，分析其內(nèi)在的多種因素。利用特定的評價方法，綜合測定結(jié)構(gòu)可靠性。此種設(shè)計方法，主要是簡化結(jié)構(gòu)方案，使用靜力結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，解決各類結(jié)構(gòu)動力分布問題。此種設(shè)計方法，多用于工程初期設(shè)計環(huán)節(jié)，用于判斷結(jié)構(gòu)性能，作為改善方案的方向[2]。

2.2.2 承載力設(shè)計方法

以結(jié)構(gòu)承載性能為考量因素的設(shè)計方法，在國內(nèi)抗震設(shè)計中使用次數(shù)較高。設(shè)計人員會借助概念設(shè)計法，初步確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，恰當選取“折減”“放大”等類型的系數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)承重能力。此種設(shè)計方法，旨在利用結(jié)構(gòu)承載性能，使結(jié)構(gòu)在地震條件下保持彈性狀態(tài)，以此減少地震帶來的沖擊作用，具有較高的經(jīng)濟性。在實踐工程設(shè)計期間，主要使用“振型分解”“底部剪力”等方面，進行抗震規(guī)劃。承載性設(shè)計，多用于需要彈性設(shè)計的結(jié)構(gòu)類型，不可用于塑性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中。

2.2.3 位移設(shè)計方法

位移控制方法，是以結(jié)構(gòu)形變、位置改變?yōu)榉较?，以此判斷結(jié)構(gòu)方案在各類地震條件下的受損情況。1)位移控制的設(shè)計宗旨，是借助單體進行地震位移量的判斷，以此推斷出建筑結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的位移量。測算結(jié)果與位移限值進行對比，以此評價結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震能力。此種設(shè)計方法的操作性較強，在高烈度地震區(qū)域內(nèi)，具有一定適用性；2)能力分析法是借助結(jié)構(gòu)底部的剪力表現(xiàn)、結(jié)構(gòu)頂處的位置改變量，進行抗震分析。此方法分析過程簡單，是參照國內(nèi)的抗震設(shè)計要求，初步評估建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。使用有限元程序，比如ANSYS、 ABAQUS等，測定在不同地震條件下，建筑結(jié)構(gòu)的“底部剪力表現(xiàn)”“頂部位移改變量”，進行抗震分析。此方法多用于結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的性能評價，可設(shè)計多種地震條件，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震表現(xiàn)[3]。

2.3 N項目結(jié)構(gòu)選型

2.3.1 選擇豎向承重結(jié)構(gòu)類型

豎向承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計任務(wù)，主要是在豎向、橫向兩類荷載條件下，保持整體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，減少結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形、位移改變等問題。通過豎向承重結(jié)構(gòu)，將作用力轉(zhuǎn)移給基礎(chǔ)，以此抵消荷載帶來的影響。為此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，需保證豎向承重結(jié)構(gòu)的性能。豎向承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案有多種形式，具體包括：“框架型”“剪力墻型”“框-剪型”“筒體型”。

1)框架結(jié)構(gòu)類型，主要使用橫梁、立柱兩類構(gòu)件進行承重設(shè)計，采取“剛接”“鉸接”兩種方式，組合成承重骨架。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)完整性較強，具有較高的空間劃分自由性，便于進行空間布置，能夠組成較大的空間，材料輕便，成本價值較高。此結(jié)構(gòu)的使用限制：不宜用于>20層的建筑項目中，地震頻發(fā)地段的結(jié)構(gòu)層數(shù)需≤10層。

2)剪力墻結(jié)構(gòu)類型，是指在橫、縱兩個方向具有承重性的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)勢是：抗側(cè)移能力較強，整體抗震性優(yōu)異，結(jié)構(gòu)承載性能、抗震表現(xiàn)較強。此結(jié)構(gòu)使用時，會限制空間規(guī)劃的自由性。此結(jié)構(gòu)抗震表現(xiàn)優(yōu)異，多用于高層建筑。

3)框-剪結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)利用框架與剪力墻的兩個組成，共同承擔(dān)豎向、橫向的荷載作用。此結(jié)構(gòu)綜合性能介于框架、剪力墻兩者之間，擁有框架結(jié)構(gòu)空間分配的自由性，兼具剪力墻較強的抗震能力。此結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計中的使用量較高。

4)筒體結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)是在剪力墻周邊，建立豎向筒體，筒體用作抗側(cè)力的部件。筒體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強的剛度，抗側(cè)移、自主承載性能各方面，均有優(yōu)異表現(xiàn)，多用在高層建筑項目。此結(jié)構(gòu)的空間劃分自由性較好，成為當前高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要形式。

N項目的建筑功能為“綜合體”，參照建筑組織的“成本控制”思想，需選擇豎向承重結(jié)構(gòu)，以此保證結(jié)構(gòu)布置的簡約性，增加空間設(shè)計的自由性。N項目的結(jié)構(gòu)高度為156.68m，參照結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要求，此高度的防裂度級別為“6”?？剂拷ㄖ椖孔陨硇阅茌^好，明確豎向承重結(jié)構(gòu)類型，選定“框-筒”形式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.3.2 選擇橫向承重結(jié)構(gòu)類型

橫向承重體系，主要用于承擔(dān)豎向荷載、連接各豎向組成形成的水平荷載，具體包括：樓蓋、屋蓋等。此承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計，能夠有效承擔(dān)豎向荷載，將荷載回傳給豎向結(jié)構(gòu)，以此保持豎向結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，給予豎向結(jié)構(gòu)相應(yīng)的橫向支撐作用，有助于增強橫向、豎向兩類承重結(jié)構(gòu)的完整性，防止承重體系出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。1)肋梁樓蓋。此結(jié)構(gòu)主要含有“梁”“板”兩個組成，將板、梁組合而成，梁多數(shù)是采取雙向正交設(shè)計方式，板分割成支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計成“連續(xù)板”“單塊板”的形式。依據(jù)梁、柱的組合形式，肋梁樓蓋含有多種類型：單側(cè)型、雙向型、井字型等；2)無梁樓蓋。此結(jié)構(gòu)形式，在樓板下方未設(shè)梁，樓板與墻柱相互支撐，樓面荷載從樓板傳輸給墻柱的橫向承重組成。此結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，美觀性較強，工程操作簡便，能夠有效調(diào)整樓層高度。此結(jié)構(gòu)使用時，要求樓板厚度達到規(guī)范，會消耗較多的樓板材料，承重性較大，承載力較差。此結(jié)構(gòu)多用于高層建筑中；3)組合樓蓋。此結(jié)構(gòu)是使用鋼板、鋼梁等多種類型的構(gòu)件，聯(lián)合現(xiàn)澆模板組合而成的樓蓋結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出“強度大”“重量小”“抗震能力優(yōu)異”“工程操作簡便”等優(yōu)勢[4]。參照N項目的空間規(guī)劃、工期、工藝各項因素，橫向承重結(jié)構(gòu)施工時，擬用現(xiàn)澆工藝，選擇鋼混材料，制成“肋梁樓蓋”結(jié)構(gòu)，以此組成橫向承重體系。

2.3.3 選擇底部承重結(jié)構(gòu)類型

底部承重組成，多數(shù)是指建筑項目最底部的結(jié)構(gòu)。底部承重設(shè)計，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵項目，能夠承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)的全部荷載，當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞、形變量較大等問題時，均會引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)損壞等現(xiàn)象。選擇多種類型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，會降低建筑結(jié)構(gòu)的整體性能。1)獨立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)平面有多種外形特點，包括“圓形”“矩形”等。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢為：基礎(chǔ)埋置位置不深、材耗量不高、成本不高、工藝操作簡單、工期不長、無需進行地基特殊處理；2)條形基礎(chǔ)。將柱下、墻下等位置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，設(shè)計成連續(xù)型、多個矩形的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。當柱、墻承受的荷載值較高，地基實際承受的承載能力不大，需要較大的基礎(chǔ)底面，制作成獨立基礎(chǔ)。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性較差，極易出現(xiàn)相鄰基礎(chǔ)間隔不大的問題，增加施工操作的繁瑣性。在此種條件下，可使用條形基礎(chǔ)進行施工；3)筏形基礎(chǔ)。在承臺位置進行柱、墻的支撐設(shè)計，在承臺底部位置添加多個樁，組合成一個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于承載上部區(qū)域的荷載作用。借助基樁作用，將作用力傳送至地基持力層。此基礎(chǔ)埋置深度較大，承載性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)形變量不大、具有較強的抗拉、抗拔性能。

依據(jù)N項目的周邊條件，建筑項目的絕對標高參數(shù)為57.158m，初步確定21.58～30.56m位置作為建筑持力層。如果基礎(chǔ)埋深參數(shù)較大，不宜選擇較淺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。當埋深參數(shù)較大時，需考量地下水位可能帶來的抗浮作用。建筑項目樓層較高，自身重量較大，相應(yīng)增大了承重體系的性能要求。為此，N項目底部承重的結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)選擇“樁基礎(chǔ)”進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.4 確定N項目的構(gòu)件參數(shù)

依據(jù)構(gòu)件尺寸的設(shè)計方法，逐一給出N項目抗震設(shè)計的構(gòu)件參數(shù)。使用線上平臺，持續(xù)優(yōu)化構(gòu)件參數(shù)，綜合獲取“剪力墻”“柱”等重要構(gòu)件的參數(shù)方案。N項目剪力墻的厚度≤900mm，900mm的墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計在結(jié)構(gòu)首層。樓層增加時，墻體厚度逐層減小，墻體頂層的墻體厚度≥300mm。柱的截面各邊長參數(shù)≤1600mm，邊長為1600mm的柱體，位于建筑首層。樓層增加時，柱的邊長逐層變小。頂層柱體邊長≥900mm。核心筒剪力墻的材料類型、布置方法，與框架柱的工藝方案一致：1—10F的材料級別為C60，+5層材料級別降低一個層次，材料最低的級別為C30。剪力墻、柱兩類構(gòu)件的豎向受力鋼筋，材料強度取HRB400。如表2所示，是各層剪力墻參數(shù)、柱參數(shù)、材料強度的設(shè)計方案。

表2 各層剪力墻參數(shù)、柱參數(shù)、材料強度的設(shè)計方案

2.5 結(jié)構(gòu)建模設(shè)計注意事項

將N項目的抗震設(shè)計參數(shù)導(dǎo)入模型，模擬驗證其抗震性時，抗震建模分析工作，主要關(guān)注如下各類問題。1)添加建筑圖軸網(wǎng)各項數(shù)據(jù)時，如果出現(xiàn)無用的軸線、節(jié)點等問題，需人工進行清除處理，防止增加建模運算量；2)設(shè)計加腋梁期間，程序中并未設(shè)計加腋梁的參數(shù)、種類等信息，需設(shè)計人員自行添加梁構(gòu)件的信息，增設(shè)加腋梁的類型，逐一填寫構(gòu)件參數(shù)；3)建筑結(jié)構(gòu)的樓梯，無法進行建模。參數(shù)導(dǎo)入時，需將樓梯位置的樓板參數(shù)改為“0”，同步填寫各樓梯的荷載參數(shù)；4)如果工程有人防設(shè)計項目，需在標高“0”m以下范圍的樓層處，添加人防荷載；5)參照增加節(jié)點抗震性能的設(shè)計理念，在剪力墻、梁體連接的位置，添加80%鉸接，以此分散節(jié)點位置發(fā)生的彎矩。如果次梁剛性較高，可據(jù)實進行全鉸接處理；6)結(jié)構(gòu)建模完成，需查看各樓層的材料參數(shù)、材料性能、鋼筋型號等各類參數(shù)添加的準確性；7)檢查結(jié)構(gòu)模型設(shè)計情況，檢查項目有：剪力墻、柱體之間存在的重疊情況，查看梁體、樓層之間存在的懸空問題，排除墻洞出現(xiàn)的超高現(xiàn)象，判斷荷載規(guī)范性等[5]。

2.6 結(jié)構(gòu)模型的抗震設(shè)計控制方法

2.6.1 位移比

位移比的抗震設(shè)計控制理念，是指測定樓層豎向承重組成的橫向位移最大值，與所在樓層橫向位移平均數(shù)之間的比值?？拐鹪O(shè)計中，設(shè)定此指標進行抗震控制，旨在保持主體結(jié)構(gòu)的彈性特點，防止豎向承重組件發(fā)生裂縫問題，合理消除結(jié)構(gòu)平面設(shè)計的不規(guī)整情況，嚴防出現(xiàn)較高的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，保持結(jié)構(gòu)性能的平穩(wěn)性。在驗證位移比時，需分析偶然偏心因素，同步使用強制剛性樓板給出假設(shè)。如果位移比>1.2，需判斷雙向地震的設(shè)計需求。參照國內(nèi)抗震設(shè)計的相關(guān)要求，在橫向地震力條件下，同步判斷偶然偏心帶來的不利作用，高度不足150m的高層建筑，位移比應(yīng)介于1.2與1.5之間，高于150m的建筑項目，位移比應(yīng)處于1.2～1.4之間。N項目位移比的控制方案，如表3所示。

表3 N項目位移比的控制方案

2.6.2 層間位移角

層間位移角具體表示在地震條件下，各樓層出現(xiàn)的橫向位移最大值，與樓層高度之間的比值。此參數(shù)控制理念，與位移比的抗震控制思想一致，均是保持結(jié)構(gòu)擁有較強的剛度，有效控制位移量。相比位移比，在測定層間位移角大小時，無需考量偶爾偏心問題。如果層間位移角較大，需采取多種措施，進行位移調(diào)整。1)適當增加豎向承重組成的截面參數(shù)；2)適當增加材料強度級別。N項目的位移角參數(shù)應(yīng)控制在1/768以內(nèi)，以此提高抗震性。

2.6.3 周期比

周期比，是指結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時的自振周期T1，與平面移動周期T2的比值。當T1與T2參數(shù)相近時，在振動偶聯(lián)的負面條件下，地震中的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)量會明顯增加。參照國內(nèi)抗震設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，建筑高度不足150m時，周期比參數(shù)應(yīng)≤0.9。建筑高度大于150mm時，周期比參數(shù)應(yīng)≤0.85。此參數(shù)控制期間，能夠保證豎向抗側(cè)力組件分布的均勻性，使建筑結(jié)構(gòu)擁有充足的抗扭剛度，以此有效抵消地震作用帶來的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題，防控平面、扭轉(zhuǎn)兩種結(jié)構(gòu)變動形成的耦聯(lián)效應(yīng)，以此保證結(jié)構(gòu)抗震能力[6]。如表4所示，是N項目周期比的取值方案。

表4 N項目周期比的取值方案

2.6.4 層間剛度比

層間剛度比，是指各樓層對抗結(jié)構(gòu)側(cè)移問題的剛度之比?？拐鹪O(shè)計中，設(shè)定此參數(shù)控制項目，旨在保持豎向承重構(gòu)件分布的規(guī)整性，防止出現(xiàn)薄弱層問題。依據(jù)抗震設(shè)計的相關(guān)要求，如果層間剛度比的設(shè)計方案不合規(guī)，可適當控制相鄰上層豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的表面規(guī)格，相應(yīng)調(diào)整材料強度級別。如表5所示，是N項目梁剛度的調(diào)整方案。

表5 N項目梁剛度的調(diào)整方案

2.6.5 層間承載力的比值

各樓層之間的承載力之比，是指單層各項抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的承載力作用之和，與上一層全面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的承載力總和之比。此控制參數(shù)，主要用于判斷豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的性能，主要排查結(jié)構(gòu)薄弱層問題。如果此項參數(shù)不合規(guī)，可采取的工藝優(yōu)化措施：增加薄弱層的配筋量，提高材料強度、增大構(gòu)件截面規(guī)格。N項目檢測時，發(fā)現(xiàn)各項數(shù)據(jù)應(yīng)高于規(guī)范值0.75，并不存在薄弱層問題。

2.6.6 剪重比

剪重比具體表示在橫向地震條件下，結(jié)構(gòu)承受的“剪力”與“自身重力荷載”之比。當結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周期高于3.5s時，結(jié)構(gòu)檢測發(fā)現(xiàn)薄弱層，需進行剪重比控制。在實際控制期間，主要由底層進行剪重參數(shù)調(diào)整，采取由下至上、逐層增加的形式，以此增加剪重比。如果結(jié)構(gòu)為柔性，整體結(jié)構(gòu)的層間剪力較小，剪重比的調(diào)整方法為：增加豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的截面大小，更換強度更大的材料。N項目剪重比測定時，測定結(jié)果均處于1.15規(guī)范值以內(nèi)，項目抗側(cè)剛度較高，具有一定抗震能力。

3 結(jié)語

綜上所述，工民建各類項目進行的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，具有較強的安全防護功能。N項目進行抗震設(shè)計時，以結(jié)構(gòu)性能為出發(fā)點，明確了各項設(shè)計方法，結(jié)合自身項目需求，綜合選定抗震結(jié)構(gòu)。參照限額設(shè)計內(nèi)容，檢查工程抗震設(shè)計的規(guī)范性。