高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

張 翔，鄭一葦

中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000

1 高層住宅建筑抗震效果影響因素

1.1 材料

材料是建筑實(shí)體必不可少的要素，現(xiàn)階段的建筑材料類別及性能各不相同，具備的抗震效果也存在差異。應(yīng)用加氣混凝土板等材料，可發(fā)揮出其高強(qiáng)度、質(zhì)地輕的特性，有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)可明顯減輕總體自重，建筑物綜合使用性能更為優(yōu)良。在抗震設(shè)計(jì)中需對材料特性進(jìn)行對比分析，合理選擇，使其滿足高強(qiáng)度、質(zhì)地輕的雙重要求。

1.2 高度

現(xiàn)代建筑工程中，高層建筑成為主流趨勢，但在高度增加的同時(shí)，其重心高度也隨之提高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以得到保障。從實(shí)際情況來看，建筑超高的現(xiàn)象普遍存在，在爆發(fā)高強(qiáng)度地震時(shí)極容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)建筑整體坍塌，所造成的傷亡不可估量。為創(chuàng)造可觀的建筑使用價(jià)值，需在增加建筑高度的同時(shí)，避免出現(xiàn)重心過高的情況。

1.3 地基選取

地基具有穩(wěn)定性是提高建筑抗震性能的必要前提。對于高層住宅建筑，若施工現(xiàn)場的地基具有穩(wěn)定性與平整性，那么在此條件下建設(shè)所得的建筑物整體抗震性能優(yōu)良。若建筑地基性能欠佳，如存在松軟、含水量過高等情況，此時(shí)建筑物的抗震性能將大打折扣，不利于保證建筑物的穩(wěn)定性。從這一角度來看，需注重對建筑物地基的選擇，若因用地規(guī)劃問題而必須在軟基上展開施工建設(shè)時(shí)，就要做好地基加固工作，使其具有足夠的穩(wěn)定性。

2 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化

2.1 構(gòu)建高效的地震作用傳遞路徑

以樓屋蓋梁為例，充分關(guān)注水平荷載和重力荷載，構(gòu)建一條高度暢通且精簡的路徑，使兩者高效傳遞至包含墻、柱在內(nèi)的各類豎向構(gòu)件處，優(yōu)化受力條件。

（1）對于無轉(zhuǎn)換層的高層建筑，需要充分考慮垂直荷載作用下的軸壓力，應(yīng)保證該部分力的作用位置恰好位于豎向構(gòu)件的幾何中心處，據(jù)此布置豎向構(gòu)件，減小偏心距。

（2）在超高層建筑中，需構(gòu)建具有貫通特性的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，從而達(dá)到傳力直接的目的?？箓?cè)力結(jié)構(gòu)的組成方面，以框架、剪力墻、筒體及支撐為核心，輔以其他附屬結(jié)構(gòu)。

（3）選擇抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，需密切關(guān)注抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件兩部分在延性方面的表現(xiàn)，即不可出現(xiàn)脆性破壞的現(xiàn)象。關(guān)于延性的判斷，常引入的是結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的延性系數(shù)，具體計(jì)算方法如下：

式中：μ為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)延性系數(shù)，通常，μ值至少需達(dá)到3～4，并根據(jù)實(shí)際情況靈活增加；Δup為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)屈服位移；Δuy為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)彈塑性位移限值。

2.2 確?？拐饦?gòu)件具有足夠的延性

高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，確保適度的贅余度和內(nèi)力重分布為關(guān)鍵點(diǎn)。在該條件下，若高層建筑遭遇地震，盡管有部分構(gòu)件受損退出工作，但剩余的各類構(gòu)件仍能夠用于承擔(dān)荷載，此時(shí)可規(guī)避因局部失穩(wěn)而導(dǎo)致建筑整體無法正?？拐鸬默F(xiàn)象，提高建筑物的整體抗震性能[1]。

遇地震時(shí)，框架、柱頭、柱根等部位均存在較為復(fù)雜的受力關(guān)系，在外力的作用下易受損，因此在抗震設(shè)計(jì)工作中需著重考慮此方面的內(nèi)容。一方面，盡可能控制節(jié)點(diǎn)最先破壞的位置，即不應(yīng)出現(xiàn)在柱節(jié)點(diǎn)處，應(yīng)做到梁端先于柱端破壞，此方式可較好地避免柱節(jié)點(diǎn)的破壞作用，以免出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)坍塌的情況。另一方面，對于剪力墻以及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)需著重控制高度與寬度的比例，即該值需達(dá)到2以上。

2.3 設(shè)多道抗震防線

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于可形成多道抗震防線。剪力墻發(fā)揮第一道防線的作用，是關(guān)鍵的抗側(cè)力構(gòu)件。在剪力墻的設(shè)計(jì)工作中，數(shù)量控制至關(guān)重要，需著重考慮其承受的結(jié)構(gòu)底部的地震傾覆力矩，該值不可小于底部總地震傾覆力矩的1/2。此外，在布設(shè)剪力墻時(shí)，間距不可過大，否則將出現(xiàn)樓板大幅度變形的情況。剪力墻間距取值表如表1所示。

表1 剪力墻間距取值表 單位：m

若剪力墻間的樓面存在較大開洞，則需要適當(dāng)減小樓、屋蓋的長寬比。剪力墻出現(xiàn)開裂現(xiàn)象后，地震作用重新分配，為滿足穩(wěn)定性要求，需保證各層框架能夠與墻體保持協(xié)同的關(guān)系，即兩者共同承受較小的地震剪力。

2.4 確保主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度

主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是整個(gè)高層建筑中不可或缺的部分，其應(yīng)具有足夠的剛度，在對該部分展開抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需兼顧水平位移、強(qiáng)度延性多方面要求，合理設(shè)定強(qiáng)度，從而保證高層建筑結(jié)構(gòu)安全使用[2]。就實(shí)際使用情況來看，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度需遵循適中的原則，即不可過大，通常以略大于規(guī)范值或恰好與之相同為宜。

3 住宅高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)中，若抗震設(shè)防水平偏高，雖然可以滿足抗震要求，但容易出現(xiàn)資源浪費(fèi)、成本增加等問題；若設(shè)防水平偏低，雖然可以較大幅度地減少成本，但其抗震性能偏弱，高層建筑使用期間遇地震時(shí)易誘發(fā)坍塌或其他事故，由此帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧多重要求，既要保證高層建筑具有足夠的抗震性能，又要避免出現(xiàn)成本過高的情況。

3.1 建筑設(shè)防三水準(zhǔn)烈度

（1）水準(zhǔn)烈度分類。以多年來我國地震發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為依據(jù)，確定設(shè)防三水準(zhǔn)烈度，具體如下：①第一水準(zhǔn)烈度，50年內(nèi)，超越概率為63%的地震烈度為眾值烈度；②第二水準(zhǔn)烈度，50年超越概率為10%的烈度；③第三水準(zhǔn)烈度（即罕遇地震的概率水準(zhǔn)），50年超越概率為2%～3%的烈度。

（2）水準(zhǔn)設(shè)計(jì)。以前述所提的設(shè)防三水準(zhǔn)烈度為基準(zhǔn)，進(jìn)一步提出抗震設(shè)防的三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，具體內(nèi)容如表2所示。其具體標(biāo)準(zhǔn)如下：①建筑物遭第一水準(zhǔn)烈度時(shí)，不可產(chǎn)生任何形式的損壞現(xiàn)象，建筑需維持正常使用的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)則以彈性變形階段為宜；②建筑物遭第二水準(zhǔn)烈度時(shí)，可以產(chǎn)生一定程度的損壞，但具備維修的可能，即經(jīng)過維修后其依然可以正常使用，盡管結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性變形階段，但其塑性變形仍可得到有效控制，可穩(wěn)定在某限度以內(nèi)，震后殘留的永久變形不大[3]；③建筑物遭第三水準(zhǔn)烈度時(shí)，各部分結(jié)構(gòu)的非彈性變形均處于可控狀態(tài)，同時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到結(jié)構(gòu)倒塌的臨界變形條件。

表2 抗震三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.2 層間位移限制

高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于高寬比較大，位移限值受到材料、結(jié)構(gòu)體系等多方面因素的共同影響，因此在基于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)做到統(tǒng)籌兼顧。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，必須合理設(shè)計(jì)此部分的位移限值，以便提高其穩(wěn)定性，確保其功能可正常使用。高層建筑更容易受到地震的影響，此情況下將伴隨更明顯的層間位移現(xiàn)象，因此在抗震體系設(shè)計(jì)時(shí)需加強(qiáng)對層間位移的限制，避免在地震時(shí)出現(xiàn)大幅度位移的問題。層間位移對比如圖1所示。

圖1 層間位移對比圖

4 結(jié)束語

綜上所述，高層住宅建筑對于穩(wěn)定性的要求逐步提高，合理做好結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作至關(guān)重要。筆者結(jié)合實(shí)際抗震設(shè)計(jì)工作，從場地選擇、結(jié)構(gòu)的配置和優(yōu)化等多方面入手，總結(jié)出了住宅高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從根本上提高了建筑的抗震能力，研究成果可為同類工程提供一定的參考。