高地震烈度区建筑结构优化设计

查全平

(广东广筑工程设计有限公司,广东 东莞523000)

高地震烈度区对房屋建筑结构的稳定性和安全性具有较高的要求,在地震作用和风荷载作用下很容易影响到区域内建筑的稳定性能,因此高地震烈度区建筑结构与普通区域建筑结构是有所不同的,为此提出高地震烈度区建筑结构优化设计。

1 高地震烈度区建筑结构优化设计

1.1 建筑结构体系优化设计

高地震烈度区建筑容易发生位移,因此下层间位移角是高地震烈度区建筑结构设计的主要指标之一,而与建筑下层间位移角大小有关主要取决于建筑结构体系,目前高地震烈度区建筑结构体系主要为单结构体系,单结构体系主要由混凝土内筒组成,这种建筑结构体系在高地震烈度区建筑项目中普遍应用,通过对该类型结构体系建筑地震动统计数据调查,如表1所示。

表1 高地震烈度区单建筑结构体系地震动周期数据表

从单建筑结构体系地震动统计特性数据分析,发现单建筑结构体系的位移偏大,因此此次对高地震烈度区建筑结构优化设计,首先对建筑结构体系进行优化设计,为了有效控制高地震烈度区建筑位移,此次在原有建筑结构体系基础上将其优化成为混合结构体系,混合结构体系主要由钢外框和混凝土内筒混合组成,并且在住建筑结构两侧设置两个加强层以及侧面交叉支撑结构,加强层和侧面交叉支撑结构的应用起到固定作用,起到更好的抗震效果,表2 为混合建筑结构体系截面参数表。

表2 混合建筑结构体系截面参数表

混合结构体系将原有的核心筒高度和宽度比例进行了调整和优化,通过提高核心筒高度和宽度数值来加重建筑结构质量刚度,还加厚了建筑结构体系中核心筒的厚度,通过调整该项参数减小建筑结构纵向层间位移角,增强了高地震烈度区建筑结构重量和抗震效果[1]。在原有建筑结构体系基础上又设置了侧面支撑结构,这样可以减小建筑结构横向层间位移角以及结构地震周期。通过以上结构体系参数数值优化,来增大建筑结构截面面积,从而减小建筑结构周期,增强建筑结构地震剪力[2]。混合建筑结构体系在实际施工应用中具有较高的难度,在施工过程中建筑结构体系中的剪力墙需要埋设型钢,而连梁设计比较难,因此为了保证混合建筑结构体系可以发挥出良好的抗震效果,采用多道SRC 连梁或者钢连梁,将其代替原有的连梁结构,以此完成高地震烈度区建筑结构体系优化设计。

1.2 增设隔震层

在以上对高地震烈度区建筑结构体系优化设计的基础上,又增设了隔震层。原有建筑结构中并没有隔震层,上文虽然对原有建筑结构体系进行了优化,并且在原有建筑结构基础上布置了侧面支撑结构,对建筑结构起到一定的支撑作用,但是仅仅依靠侧面支撑结构起到的抗震效果有限,因此本文又在原有建筑结构上增设了隔震层,隔震层主要由橡胶支座和粘滞阻尼器两部分组成,通过合理布置橡胶支座和粘滞阻尼器来起到良好的隔振效果,减小地震对建筑结构的影响和力学作用。

隔震层在布置过程中需要考虑以下几点因素:(1)橡胶支座分为铅芯橡胶支座和天然橡胶支座,铅芯橡胶支座刚度较大,成本较低,而天然橡胶支座刚度较小,成本相对铅芯橡胶支座较高一些,但是二者在施工成本上和隔振效果上基本相差无几,具体应用哪种橡胶支座主要取决于建筑项目施工方。如果采用刚度较强的铅芯橡胶支座,则支座的布置主要沿着建筑周边,如果采用刚度比较小的天然橡胶支座,则支座的布置主要沿着建筑内部四周布置,两种橡胶支座的布置方式不同,这样可以尽可能地提高建筑结构的扭转刚度[3]。(2)无论采用哪种橡胶支座,在支座的重力荷载代表值作用下,建筑结构横向平均应力不宜超过《高地震烈度区甲类建筑结构设计规范》GB26515-2010 规定,即不可以超过甲类建筑限制11.5MPa。(3)在高地震烈度区如果发生地震,在地震作用下两种类型橡胶支座的极限水平变为需要小于有效直径的0.15 倍,这样可以有效保证橡胶支座的隔振作用。(4)在高地震烈度区如果发生地震,在地震作用下两种类型橡胶支座不可以出现拉应力,如果地震作用影响较大,橡胶支座出现拉应力不可以超过2.55MPa。(5)为了尽可能减小地震对建筑结构隔震层的作用和影响,防止隔震层出现变形,必须在隔震层中设置粘滞阻尼器,粘滞阻尼器的布置可以有效提高建筑结构的减震效果,粘滞阻尼器通常情况下布置在建筑结构四周,呈对称布置。目前现有的粘滞阻尼器布置方案有两种,方案一是沿建筑结构外围四周对称布置,方案二是沿建筑结构内部四周对称布置,两种布置方案起到的协调隔振效果不同,通过对两种方案动力时程测试,得到设防地震下两种方案减震系数数据,如表3 所示。

表3 两种粘滞阻尼器布置方案减震系数对比

从上表数据可以看出,方案一比方案二建筑结构减震系数较高一些,因此在对粘滞阻尼器布置时可以采用方案一布置施工。根据上述对建筑结构的隔震层进行布置,在实际施工中,每个隔震层布置的橡胶支座不宜少于100 个,并且隔震层中需要添加少量的弹性滑板支座,粘滞阻尼器的布置数量为橡胶支座的10%。这样施工设计的隔震层横向偏心率可以达到0.55%,纵向偏心率可以达到1.25%,满足《高地震烈度区甲类建筑结构设计规范》GB26515-2010 规定的限值4.5%的要求。

1.3 抗侧构件优化设计

除了对建筑结构体系优化设计和增设隔震层之外,本文为了建筑结构在高地震烈度区可以起到超高的抗震效果和稳定效果,还对原有的抗侧构建进行了优化设计,原有抗侧构建采用的是立面大斜撑,这种抗侧构建不仅会增加建筑结构的占地面积,而且起到的支撑作用不够明显,因此此次将原有的立面大斜撑抗侧构件优化为伸臂衍架抗侧构建,伸臂衍架抗侧构建采用的是全钢结构方案,支撑模式采用的是内筒支撑,图1 为伸臂衍架抗侧构件结构平面示意图。

图1 伸臂衍架抗侧构件结构平面示意图

该种抗侧构建在应用时,主要是在建筑各个楼层内设置伸臂衍架,伸臂衍架的制作材料主要为钢材,利用伸臂衍架作为建筑结构的加强层,为了进一步证明伸臂衍架抗侧构件在高地震烈度区建筑结构中的应用效果,对其敏感性进行了分析,如表4 所示。

表4 抗侧构件不同布置位置对建筑结构计算指标影响

从上表中数据可以看出,在建筑15 层开始布置伸臂衍架抗侧构件时,建筑结构的横向层间位移和纵向层间位移数值最小,因此将15 层设置为伸臂衍架抗侧构件布置位置。通过以上对建筑结构体系优化、增设隔震层以及对建筑结构抗侧构建优化,完成了高地震烈度区建筑结构优化设计。

2 结论

本文结合高地震烈度区建筑结构设计需求,在原有建筑结构基础上对其进行了优化和改善,分别为建筑结构的体系和抗侧构件进行了优化设计,并且还增加了隔震层,此次研究有助于提高高地震烈度建筑结构稳定性和抗震性,为高地震烈度区建筑结构设计提供了良好的数据依据,对高地震烈度区建筑施工质量的提高也具有良好的现实意义。