高层住宅建筑结构的抗震优化设计策略

2021-04-01甘昱

工程建设与设计 2021年4期

关键词：烈度水准剪力墙

甘昱

（佳兆业集团控股有限公司惠州分公司，广东惠州516000）

1 引言

针对高层住宅建设结构，合理的抗震设计尤为关键，其直接影响建筑结构的施工效果。此时要从建筑结构入手，做好抗震优化设计工作，形成完整的抗震体系，为建筑物的稳定使用提供支持。

2 影响高层住宅建筑抗震效果的因素

2.1 材料

材料是创建建筑实体必不可少的要素，现阶段的建筑材料类别及性能各不相同，具备的抗震效果也存在差异。若选择的是加气混凝土板等具有高强度且质地轻的材料，则会显著提高建筑物的强度，明显减轻总体自重，建筑物综合使用性能更为优良。对此，在设计过程中应注重对建筑材料的选择，要求其具备强度高、质量轻的特点。

2.2 高度

现代建筑工程中，高层建筑成为主流趋势，但在高度增加的同时其重心的高度也随之提高，结构稳定性难以得到保障[1]。从实际情况来看，建筑超高现象普遍存在，在爆发高强度地震时极易发生失稳现象，严重时建筑将整体坍塌，造成严重的伤亡事故。为创造可观的建筑使用价值，需要合理设定建筑高度，避免出现重心过高的情况。

2.3 地基选取

地基是建筑施工的基础部分，其稳定性也将对建筑的抗震性能带来影响。对于高层住宅建筑，若地基的稳定性与平整性较强，建设所得的建筑物整体抗震性能则较为优良；若建筑地基性能欠佳，如存在松软、含水量过高等情况，此时建筑物的抗震性能将被大大削弱。从这一角度来看，需注重对建筑物地基的选择，若因用地规划问题而必须在软土地基上展开施工，则要做好地基加固，使其具有足够的稳定性。

3 高层住宅建筑结构抗震优化设计的原则

以抗震设计目标为工作导向，结合高层建筑结构的基本特点对其展开抗震优化设计工作，以期提高结构的强度、刚度及延性等方面的性能，改善结构的综合应用效果。在选择高层建筑结构体系时，应遵循以下几点原则。

3.1 合理的地震作用传递途径

在房屋盖梁结构的抗震设计中，应充分考虑水平荷载和重力荷载的作用，形成一条高效、简洁的传力途径，以便荷载能够精准传递到达各竖向构件，如墙、柱、基础等。

1）在无转换层高层建筑中布置竖向构件时，最合理的结构优化选择是使竖向构件在垂直重力荷载作用下的轴压力作用于竖向构件的几何中心，减少偏心距。

2）超高层建筑结构中，应尽可能地保证抗侧力结构体系达到贯通的状态，以满足直接传力的要求。常见的抗侧力结构有框架、剪力墙、支撑等，若因设计需求而导致其沿竖向存在变化，应保证该变化具有均匀性与连续性，以改善结构的受力条件。

3）选择抗侧力构件时，应保证结构不会出现脆性破坏现象。为量化分析结构的延性，可采用结构顶点的延性系数（μ）进行表征，其计算公式为：

式中，Δup为结构顶点屈服位移，m；Δuy为结构顶点弹塑性位移限值。根据工程经验，在抗震结构的设计中，μ 值至少需达到3～4。

3.2 抗震构件具有必要的延性

具有必要的赘余度和内力重分布是高层建筑抗震设计的一个重要原则。原因是：当地震中出现部分构件受损退出工作时，剩余构件仍能承受全部荷载，从而避免因部分构件丧失功能导致整个建筑失去抗震能力，提高了建筑物的整体抗震性能[2]。因此，发生地震时，框架、框架-剪力墙结构中的梁端、柱头、柱根部应力最复杂最集中，是最容易受到破坏的部位，抗震设计时，应尽量让节点的破坏先出现在梁端而不是柱节点处，即梁端先于柱端破坏，避免因柱节点破坏引起结构整体坍塌。其次，在框架-剪力墙结构和剪力墙结构中，剪力墙各墙段的高宽比应大于2。

3.3 形成多道抗震防线

在设计框架-剪力墙结构时，需要保证其具有多道抗震防线，切实提高结构的抗震性能。剪力墙除了作为抗侧力构件使用外，还应发挥出第一道抗震防线的作用，对此，须合理控制剪力墙的数量，重点考虑其承受结构底部地震倾覆力矩，要求该值至少达到底部总地震倾覆力矩的1/2。此外，避免剪力墙间距过大的情况，否则会导致楼板在平面内出现大幅度的变形，具体的取值标准如表1 所示。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范（附条文说明）（2016 年版）》，表1 中，B 为屋盖的长宽比，每组数据取较小值。

表l 剪力墙间距取值表

当剪力墙之间的楼面有较大开洞时，应当减小楼与屋盖的长宽比。除此之外，剪力墙在开裂后将伴有地震作用重分配的现象，为在全新的环境中有效发挥作用，任意一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5 倍或二者的较小值。

3.4 保证刚度满足要求

在主体抗侧力结构的力学性能指标中，刚度为关键内容，为确保该刚度值的合理性，需充分考虑水平位移、稳定性及强度延性层面的具体要求，合理设定刚度控制值，以保证建筑结构可以安全使用。在设计工作中不可过度加大结构的刚度，满足和略大于规范限值即可。

4 高层住宅建筑结构抗震设计要点

对某高层建筑而言，如果在建筑设计中将抗震设防水平定得太高，会造成建筑材料增加、浪费资源、建筑成本大幅度上升；设防水平定得过低，建筑成本会比较低，导致建筑抗震性能较弱，一旦发生地震，建筑物破坏会更巨大或者出现坍塌，导致经济损失更严重。考虑二者兼顾，高层建筑最优设防烈度的抗震结构优化设计才是最经济合理的。

4.1 建筑设防三水准烈度

4.1.1 水准烈度分类

设防三水准烈度的确定主要是根据多年来我国地震发生概率的统计分析而得出的，分3 个等级：

1）第一水准烈度：是50 年内，超越概率为63%的地震烈度为众值烈度；

2）第二水准烈度：是50 年超越概率为10%的烈度；

3）第三水准烈度（即罕遇地震的概率水准），是50 年超越概率为2%～3%的烈度。

4.1.2 水准设计

根据设防三水准烈度，从而对建筑的抗震设防提出3 个水准的要求，其具体标准是：

1）建筑物遭遇第一水准烈度时，不可产生任何程度的损害现象，建筑物需满足各项使用需求，结构受力条件应维持在弹性变形状态。

2）建筑物遭遇第二水准烈度时，允许出现一定程度的损坏，但修缮后可正常使用。尽管此时的结构处于非弹性变形状态，但无明显的弹塑性变形，该值能够得到有效控制，震后残留的永久变形量无明显偏大的问题。

3）建筑物遭遇第三水准烈度时，各部分结构均处于非弹性变形状态，要求其始终具有可控性，未达到结构倒塌的临界变形值，换而言之，不会发生结构倒塌现象。

表2 为抗震三水准设计准则。

表2 抗震三水准设计准则

Il、Id、Iu分别代表小震、中震和大震。根据抗震设计规范规定，定义小震Il=Id-l.55；对于大震，当Id=V1 度时，Iu为Ⅶ度强；当Id=Ⅶ度时，Iu为Ⅷ度强；当Id=Ⅷ度时，Il为Ⅸ度弱；当Id=IX度时，Iu为Ⅸ度强。

4.2 层间位移限制

高层建筑的结构特点在于高宽比较大的，位移限值则受到材料、结构体系等多方面因素的共同影响，所以，在高层结构的设计工作中，应做到统筹兼顾。必须合理设计钢筋混凝土结构的位移限值，以便提高稳定性，确保其功能可正常使用。高层建筑更容易受到地震的影响，此情况下将伴随更明显的层间位移现象，因此，抗震体系设计时，需加强对层间位移的限制，避免在地震时出现大幅度位移的问题。