高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

胡洪波，徐志立

（江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000）

引言

高層建筑作為城市現(xiàn)代化發(fā)展的主要標(biāo)志，能夠有效緩解城市人口與土地之間的矛盾問題，是建筑行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。從抗震性能的角度，盡可能地在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中提高建筑整體的穩(wěn)定性，能夠在一定程度上減少由于地震災(zāi)害給建筑物和生命財產(chǎn)安全造成的影響。對高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行分析，能夠為高層混凝土建筑工程的施工建設(shè)提供一定的建議。

1 建筑性能化抗震設(shè)計的方法

1.1 Pushover 分析方法

Pushover 分析方法主要是從建筑本身擁有的抗震性能角度，來進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種方法。該分析方法在實際的應(yīng)用中，主要是利用模型模擬出建筑物結(jié)構(gòu)在受到地震水平慣性力作用下所產(chǎn)生的側(cè)向力的方式，對建筑物結(jié)構(gòu)從發(fā)生開裂到最終的倒塌破壞整個過程中的內(nèi)力、承載力等作用力的變化情況進行分析，從而判斷建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)。這種分析方法能夠?qū)ㄖ锏恼w結(jié)構(gòu)抗震性能進行分析，但往往需要與其他分析方法結(jié)合起來，才能夠滿足建筑物結(jié)構(gòu)能夠在地震作用下發(fā)生位移的這一前提條件。

1.2 能力譜方法

將Pushover 分析方法與反應(yīng)譜結(jié)合起來，能夠在得到建筑物結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點位移關(guān)系曲線之后，將曲線轉(zhuǎn)化為以等價單自由度體系為主要原理的能力譜。在得到能力譜之后，需要在模擬地震作用的情況下，對建筑物結(jié)構(gòu)整體進行再次的Pushover 分析，得到建筑物結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的彈塑性反應(yīng)變化情況，從而對建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)進行判斷。能力譜方法能夠基于建筑物結(jié)構(gòu)的彈塑性來分析抗震性能。

1.3 位移影響系數(shù)法

位移影響系數(shù)法主要是基于建筑物結(jié)構(gòu)的單自由度體系，對建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能進行分析的一種方法。這種分析方法在實際的應(yīng)用過程中，主要能夠基于建筑物結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的位移反應(yīng)中的各項系數(shù)變化情況，對建筑結(jié)構(gòu)總體的抗震水準(zhǔn)進行評估。但由于這種分析方法更依賴于理想的實驗室操作環(huán)境，且分析結(jié)果的計算精度也會受到技術(shù)的限制，因而往往難以呈現(xiàn)出建筑物各種主要構(gòu)件在地震作用下的損壞情況，仍需要對該方法進行進一步的優(yōu)化和調(diào)整。

2 應(yīng)用性能分析方法設(shè)計高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)的過程分析

建筑性能已經(jīng)成為當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)設(shè)計主要追求的目標(biāo)，基于當(dāng)前建筑安全的高質(zhì)量要求，以性能分析的方法，在建筑施工之前事先做好建筑結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，對提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的作用。

2.1 Pushover 分析方法設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)

基于Pushover 分析方法的應(yīng)用原理和要求，考慮到實際建筑施工過程中的各種因素對抗震性能的影響，對于建筑物結(jié)構(gòu)性能的分析，一般只需要考慮主體結(jié)構(gòu)性能的呈現(xiàn)效果。

2.1.1 等效位移系數(shù)法設(shè)計原理

在設(shè)定用于實驗的建筑模型數(shù)據(jù)時，結(jié)合現(xiàn)階段高層建筑設(shè)計施工的大致要求，設(shè)定模型的框架結(jié)構(gòu)為15層，每層樓高3 m，建筑物整體高度為45 m，以C35 混凝土為主，選取的建筑模型結(jié)構(gòu)尺寸為18 m×36 m，梁跨度確定為6 m，柱截面為700 mm2×700 mm2，梁截面為300 mm2×600 mm2，彈性模量為3.15×104N/mm2，建筑物的所有樓板均為100 mm 現(xiàn)澆混凝土板。在明確建筑物結(jié)構(gòu)模型的基本信息之后，以8 級抗震結(jié)構(gòu)為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，將建筑物整體的結(jié)構(gòu)場地設(shè)置為0.4 s 的特征周期，2%的柱配筋率，1.5%的梁配筋率。Pushover 分析方法是能夠?qū)ㄖ锟拐鹦阅苓M行分析的一種基礎(chǔ)方法，許多性能分析方法都以Pushover 模型曲線為基礎(chǔ)，等效位移系數(shù)法就是以Pushover 為基礎(chǔ)的一種分析方法。在應(yīng)用該方法時，首先需要基于高層混凝土建筑的實際建設(shè)要求，在軟件系統(tǒng)中構(gòu)建一個建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性模型。對于結(jié)構(gòu)模型荷載力的施加，需要以先豎向后水平的順序來進行分析[1]。在施加水平荷載的過程中，對于水平荷載增量的控制需要以建筑物結(jié)構(gòu)中最為薄弱的構(gòu)件變形情況作為判斷依據(jù)。在構(gòu)件發(fā)生屈服變形之后，需要對建筑物結(jié)構(gòu)的整體進行修正，然后再次重復(fù)以上步驟。在不斷的構(gòu)件屈服、荷載增加過程中，需要計算出所有構(gòu)件的內(nèi)力和彈塑性變形的情況，直到結(jié)構(gòu)整體超過限值。在得到計算結(jié)果之后，可以依據(jù)以下公式來對建筑物結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移情況進行整理和分析：

式中：δ 為建筑物結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移；Sa為譜加速度；Te為建筑物結(jié)構(gòu)的有效基本周期；Co為建筑物結(jié)構(gòu)頂點位移之間的修正系數(shù)；C1為建筑物結(jié)構(gòu)實際最大彈性位移與期望值之間的修正系數(shù)；C2為最大位移反應(yīng)性狀的修正系數(shù)；C3為建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的修正系數(shù)；g 為重力加速度?？紤]到不同高層混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)形式存在的差異，因而對于各種修正系數(shù)的取值也會存在一定的區(qū)別。例如，當(dāng)高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)的位移限制要求較高時，相應(yīng)的修正系數(shù)的取值也會越?。ㄒ姳?）。

表1 修正系數(shù)C2 的取值

而對于有效基本周期的計算，則需要依據(jù)以下公式∶

式中：Ti代表建筑物結(jié)構(gòu)的基本自振周期；Ki代表建筑物結(jié)構(gòu)彈性范圍內(nèi)的側(cè)向剛度；Ke代表結(jié)構(gòu)的有效側(cè)向剛度；Te為建筑物結(jié)構(gòu)抗震有效基本周期分析結(jié)果。

2.1.2 動力時程分析方法設(shè)計原理

應(yīng)用動力時程分析方法，主要通過對建筑物結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的響應(yīng)時程進行分析來了解建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能。相比于以往應(yīng)用的抗震性能分析方法而言，這種分析方法只需要在設(shè)計分析中進行一定的假設(shè)，不會受到其他因素的限制，也能夠同時考慮實際建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中的土和深基礎(chǔ)的相互作用?；趧恿r程分析方法的應(yīng)用優(yōu)勢，我國對于各種高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計提出了相應(yīng)的要求，在應(yīng)用時程分析法對高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計時，需要對建筑物可能遭遇的各種罕見地震情況下的結(jié)構(gòu)彈性進行計算。在這個計算的過程中，地震加速度時程的最大值會對系數(shù)曲線以及建筑物結(jié)構(gòu)整體的抗震性能產(chǎn)生較大的影響（見表2）。

表2 時程分析法所用地震加速度時程曲線的最大值（cm/s2）

在應(yīng)用動力時程分析方法對建筑模型的抗震性能進行分析時，一般需要設(shè)定以下幾個方面的條件：地基不會對建筑物結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；建筑物的質(zhì)量矩陣與剛度矩陣線性組合可以構(gòu)成阻尼矩陣；樓板是承擔(dān)樓層全部質(zhì)量的主要部分。在設(shè)定好假設(shè)條件之后，首先需要結(jié)合高層混凝土建筑工程的建設(shè)要求和場地條件等方面的因素，選擇多種不同特性的地震加速度時程曲線。由于建筑物的抗震性能本身是在受到力的作用情況下產(chǎn)生變化的，因而還需要基于力學(xué)特性的相關(guān)技術(shù)原理，構(gòu)建建筑物在受到地震作用力下的變化模型，并設(shè)置好相應(yīng)的力學(xué)特性參數(shù)。依據(jù)模型來建立建筑物結(jié)構(gòu)的振動微分方程，在求解方程之后，就能夠得到建筑物結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性變化情況[2]。動力時程分析方法中提到的恢復(fù)力曲線，主要是指建筑物結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生變形后的恢復(fù)能力的曲線。建筑物結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力曲線一般會受到建筑物材料、受力方式以及結(jié)構(gòu)形式的不同，呈現(xiàn)出不同的特性。以恢復(fù)力曲線來分析建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能，主要是從結(jié)構(gòu)非線性分析的角度，在建筑物結(jié)構(gòu)整體受到地震作用力的情況下，建筑物結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出的變形速度不斷加快，從變形到恢復(fù)的整個過程多次循環(huán)加載的過程。依據(jù)這一變化的流程，可以模擬出建筑物結(jié)構(gòu)特定的恢復(fù)力模型，以便能夠?qū)ㄖ锝Y(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性和抗震性能進行分析。對于動力時程分析方法中應(yīng)用的建筑模型結(jié)構(gòu)，選擇建筑框架層高為3 m, 建筑物地面以上高度15 m，梁跨度為6 m，跨數(shù)為2×2，梁柱型號為W14×370，采用Q345 鋼，梁為W36×135 的Q235 工字鋼。將動力參數(shù)設(shè)置為1.4。經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析與時程分析結(jié)果的比較，計算得出建筑結(jié)構(gòu)前三階的振型周期分別為0.134 s，0.043 s，0.024 s。無論應(yīng)用哪種抗震性能的分析方法，在模擬地震作用的情況下都需要選擇合適的地震波來作為模擬地震加速度的主要依據(jù)。結(jié)合以往發(fā)生過的地震災(zāi)害可以發(fā)現(xiàn)，地震波函數(shù)具有不規(guī)則的特點，建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能很容易受到地震波函數(shù)這種特性的影響。地震波能夠直接對建筑物結(jié)構(gòu)受到的作用力大小產(chǎn)生影響，因而在選擇地震波時，一般需要結(jié)合建筑場地的實際情況，以符合建筑物結(jié)構(gòu)的頻譜特性、幅值以及地震加速度時程曲線持續(xù)時間三方面的規(guī)定要求為主要標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 Pushover 分析方法的改進

盡管Pushover 分析方法是現(xiàn)階段能夠用于建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的有效方法之一，但其在實際的應(yīng)用中仍然存在一定的限制。對Pushover 分析方法進行改進，主要是從模型建立和參數(shù)選擇的角度，優(yōu)化建筑物結(jié)構(gòu)模型的呈現(xiàn)效果。例如，依據(jù)實驗選取的高層混凝土建筑模型參數(shù)，在構(gòu)建模型的過程中考慮側(cè)向適應(yīng)性的荷載分布加載模式，應(yīng)用M3 型的梁塑性鉸，PMM 型的柱塑性鉸，選取有效的振型對模型框架結(jié)構(gòu)進行靜力推覆分析。將分析得到的結(jié)果與振型的參與重量相比較，并對振型的目標(biāo)位移大小進行修正。改進Pushover 分析方法最主要的就是高階振型的作用，這種振型在實際的應(yīng)用中能夠通過進一步細化估算結(jié)構(gòu)需求，并反映出結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服后的地震作用變化，因而能夠有效提高建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能分析的精度[3]。

2.2 能力譜方法設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)

對于能力譜分析方法的實驗分析，選取的建筑模型以綜合性高層混凝土建筑模型為主，建筑地下包括3 層結(jié)構(gòu)，建筑空間長在67～82.8 m 的范圍內(nèi)，寬在76.8～89.5 m 的范圍內(nèi)，建筑主體結(jié)構(gòu)高度約為164.80 m，建筑抗震等級設(shè)為6 度，建筑在使用中承受的風(fēng)壓為0.70 KN/m2。能力譜方法在實際的應(yīng)用過程中，主要會受到高層混凝土建筑不同建設(shè)要求的影響而存在差異。ATC-40 方法是一種較為常見的能力譜方法，ATC-40的能力譜方法在實際的應(yīng)用過程中，首先需要對構(gòu)建的建筑物結(jié)構(gòu)模型施加單調(diào)遞減的水平荷載力，獲取作用力的變化情況之后，對其進行Pushover 分析，得到建筑物結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點位移曲線（見圖1），結(jié)合建筑物的整體要求，將該曲線轉(zhuǎn)化為能力譜曲線。然后需要在確定好5%阻尼的線性彈性傳統(tǒng)反應(yīng)譜之后，也將其轉(zhuǎn)化為能力譜的曲線形式。

圖1 基底剪力-頂點位移曲線

將得到的兩種曲線在坐標(biāo)系中繪制出來，在曲線上隨意選取一個初始點來計算等效阻尼，并依據(jù)得到的計算結(jié)果來對彈性反應(yīng)譜進行調(diào)整，得到一個需求譜。能力譜和需求譜之間的交點與初始點之間的距離，是判斷目標(biāo)性能點是否能夠真實反映建筑物結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)（見圖2）。在依據(jù)以上步驟多次重復(fù)找到目標(biāo)性能點之后，就需要依據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)的多自由度體系來對其進行再次的Pushover 分析，從而對高層混凝土建筑物結(jié)構(gòu)的抗震能力進行分析。

圖2 彈性譜（能力譜）與需求譜的交點

從建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能角度來看，以能力譜曲線的方式來對建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能進行分析，能夠得到一個更具有綜合性質(zhì)的抗震能力分析結(jié)果。能力譜與需求譜能夠以更為詳細的反映結(jié)構(gòu)，在模型中找出建筑物結(jié)構(gòu)在受到地震作用力情況下的彈塑性極限點，并通過顯示結(jié)構(gòu)的最大位移，來為建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供更加科學(xué)的依據(jù)。

2.2.2 能力譜方法的改進

能力譜方法從本質(zhì)上來說，是一種能夠通過對建筑物結(jié)構(gòu)從彈塑性的角度進行抗震性能分析的方法[4]。結(jié)合我國應(yīng)用建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能分析的方法來看，由于我國對能力譜方法的研究尚處于初級階段，在實際應(yīng)用中很難與建筑物結(jié)構(gòu)真正結(jié)合起來，因而需要結(jié)合我國建筑物結(jié)構(gòu)的實際情況，對能力譜方法進行改進。能力譜方法能夠運用Pushover 模型來為能力譜的分析提供支持，因而對于能力譜的改進，也需要考慮Pushover 模型和曲線在實際應(yīng)用中的缺陷和不足。

例如，要改進能力譜方法，可以充分發(fā)揮模態(tài)Pushover 分析方法的作用。這種分析方法具有適應(yīng)性的特點，能夠解決以往Pushover 分析方法和能力譜分析方法在動力特性變化方面分析的限制[5]。這種適應(yīng)性的加載方法，能夠應(yīng)用建筑物結(jié)構(gòu)的振型參與系數(shù)來反映建筑物結(jié)構(gòu)的抗震性能。模態(tài)Pushover 分析方法主要基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，與Pushover 分析方法的改進原理類似，都需要考慮高階振型是否會對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。一般情況下，建筑物結(jié)構(gòu)在受到地震作用力影響的情況下，發(fā)生屈服變化之后，結(jié)構(gòu)本身的剛度也會發(fā)生變化。對建筑物結(jié)構(gòu)剛度的計算，可以依據(jù)模態(tài)Pushover 能力曲線，讓建筑物結(jié)構(gòu)在塑性階段的切度鋼線變化近似相等，并應(yīng)用彈性自振振型和樓層位移形狀響亮來滿足建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能分析中龐大的工作量。

3 結(jié)論

綜上所述，抗震性能是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中強調(diào)的一種基本性能要求?；诟邔踊炷两ㄖこ痰膶嶋H情況，選擇合適的抗震性能分析方法來進行抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不僅能夠?qū)Ω邔踊炷凉こ痰慕Y(jié)構(gòu)體系進行優(yōu)化，還能夠在保證建筑抗震性能達到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的同時，提高建筑整體的經(jīng)濟效益。作為現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展的重要建筑類型，高層混凝土建筑的抗震設(shè)計需要以選擇合適的性能分析方法來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能夠促進建筑行業(yè)的有效發(fā)展。