装配式构件在钢筋混凝土 高层建筑工程中的抗震设计研究

李明

摘 要：随着社会经济水平的不断提高和建筑行业的不断发展，我国逐渐加强了对钢筋混凝土抗震设计，旨在提升高层建筑的稳定性、可靠性和安全性，从而为人们提供舒适、安全的居住环境。而装配式构件的出现和应用为钢筋混凝土抗震设计打下坚实的基础。为了充分发挥和利用装配式构件的应用优势，保证高层建筑的安全性，现以某高层建筑工程为例，在装配式构件的应用背景下，不断提高钢筋混凝土的抗震设计水平，并探讨了最终抗震设计效果。结果表明，本次抗震设计具有非常高的可靠性和可行性，不仅降低了建筑结构的地震作用，还实现了对构件配筋的科学优化，为最大限度地减小预制钢筋的连接数量，提升高层建筑抗震效果打下坚实的基础。

关键词：装配式构件;钢筋混凝土;高层建筑工程;抗震设计

中图分类号：TU352.11  文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0107-05

Research on Seismic Design of Prefabricated Components in Reinforced Concrete High-rise Buildings

Li Ming

（Shangluo University， Shangluo 726000， China ）

Abstract：With the continuous improvement of the social and economic level and the continuous development of the construction industry， my country has gradually strengthened the seismic design of reinforced concrete， aiming to improve the stability， reliability and safety of high-rise buildings， so as to provide people with comfortable and safe living environment. The emergence and application of fabricated components have laid a solid foundation for the seismic design of reinforced concrete. In order to give full play to and utilize the application advantages of prefabricated components and ensure the safety of high-rise buildings， taking a high-rise building project as an example， under the application background of prefabricated components， the seismic design level of reinforced concrete is continuously improved， and the final seismic design effect is discussed. The results show that this seismic design has very high reliability and feasibility， which not only reduces the seismic effect of the building structure， but also realizes the scientific optimization of the reinforcement of the components， in order to minimize the number of connections of prefabricated steel bars and improve the seismic effect of high-rise buildings， a solid foundation has been laid.

Key words：prefabricated components; reinforced concrete; high-rise building engineering; seismic design

最近幾年，随着建筑抗震技术的不断发展和普及，装配式构件应运而生，该构件凭借着自身高准确性、强灵活性等特征，被广泛地应用于钢筋混凝土高层建筑工程抗震设计中，为保证高层建筑抗震设计的可靠性、安全性和经济性发挥出重要作用。为了确保高层建筑在地震中拥有较高的抗震性能，在装配式构件的应用背景下，如何对钢筋混凝土高层建筑工程进行科学抗震设计是设计人员必须思考和解决的问题。

1 工程概况

某高层建筑工程在具体的施工中，主要利用装配式构件，采用钢筋混凝土建筑的方式，将预制率设置在50%以上，将装配率设置在70%以上，该工程的结构形式设置为装配式构件剪刀力墙结构，同时，还要将外围护结构设置为幕墙结构[1]，当建筑楼层超过7层后，方可采用装配式构件，高层建筑结构整体ETABS三维模型如图1所示。此外，梁板在具体的运用中，均利用预制叠合技术，使得总建筑面积达到44000m2，其中地上楼层为19层，地下楼层为3层，高层建筑总高度达到了82.5m，该工程抗震度达到了7°[2]，此外，还将地震加速度、风压分别设置为0.1g、0.50kN/m2。

2 高层建筑结构抗震设计

2.1 抗震设计目标

为了提高该工程抗震设计水平，设计人员要在装配式构件的应用背景下，降低上部结构地震作用，同时，还要提高高层建筑结构的抗震性能[3]，以保证人们居住的可靠性和安全性。

2.2 抗震支座的布置

为了尽可能缩小高层建筑结构的扭转量，设计人员需要在高层建筑结构的周围布置含有铅芯的抗震支座，然后，在综合考虑抗风和抗震相关参数的基础上，共设置76个抗震支座，其中，直径为1000mm的铅芯橡胶支座为4个，该铅芯橡胶支座简称为“LRB1000”;直径为1000mm的橡胶支座为4个，该橡胶支座简称为“LNR1000”;直径为900mm的铅芯橡胶支座为16个，该铅芯橡胶支座简称为“LRB900”;直径为800mm的铅芯橡胶支座为14个，该铅芯橡胶支座简称为“LRB800”;直径为800mm的橡胶支座为4个，该铅芯橡胶支座简称为“LNR800”;直径为700mm的橡胶支座为34个[4]，该橡胶支座简称为“LNR700”。铅芯橡胶抗震支座参数如表1所示。

2.3 抗风验算

为了更好地验证高层建筑结构的抗震性能，设计人员还要重视对抗震层的抗风验算。首先，设计人员要严格按照抗风承载力设计相关标准和要求，将该工程的抗风装置设置为铅芯橡胶抗震支座，从而实现对该支座的水平屈服荷载力的有效控制和调整。同时，还要将风载分项系数设置为1.5，采用读取PKPM的方式，将非抗震结果层剪力设置为4629.5kN。经过一系列的验算，发现该工程所选用的铅芯橡胶抗震支座符合抗震结构抗风验算相关标准和要求。

2.4 抗震支座压应力验算

为了进一步提高高层建筑结构的抗震性能，设计人员还要加强对抗震支座压应力验算。首先，要在重力荷载下，控制和调整抗震支座的压应力[5]，在此基础上，利用装配式构件，将抗震支座的编号设置为同一号码，使得抗震支座的压应力被控制在15MPa以下，以满足高层建筑结构抗震设计标准和要求。

3 高层建筑结构抗震分析

3.1 模型建立与验证

为了更好地验证高层建筑结构的抗震性能，设计人员要重视对模型的构建和验证。首先，利用ETABS软件，针对抗震结构的特点，对高层建筑各个楼层进行隔板假定处理，同时，还要在装配式构件的应用背景下，将钢筋混凝土、框架柱和剪力墙进行有效地结合，使其结合为统一整体，从而实现对ETABS模型构建的精确性[6]。此外，还要在综合考虑抗震结构和非抗震结构模型相关设计参数的基础上，精确地计算和统计非抗震结构模型的质量、剪力和周期，从而获得如表2所示的非抗震结构质量、周期对比。从表2中的数据可以看出，通过构建ETABS模型与PKPM模型，所获得的非抗震结构质量和前三个阶段的周期差均控制在10%以内，说明非抗震结构具有良好的吻合程度[7]。由此可见，通过利用ETABS软件所构建的模型具有一定的可行性和有效性。

3.2 抗震结构模态分析

通过利用ETABS软件，采用连接单元与缝单元相结合的方式，对抗震支座进行科学模拟，提高抗震结构模型的最终模拟效果，并获得如表3所示的隔震结构与非隔震结构模态对比结果，从表中的数据可以看出，通过新增铅芯橡胶抗震支座[8]，可以最大限度地延长高层建筑结构自振周期，使得地震响应速度降到最低，以达到提高高层建筑结构抗震性能的目的。

3.3 地震波选取

为了保证高层建筑结构抗震设计水平，设计人员在选取地震波的过程中，分别选取两条人工波和五条天然波，在此基础上，采用时程分析的方式，对非抗震结构进行减震处理，并得到高层建筑结构基座剪力，然后，严格按照地震动时程相关标准和要求，实现对底部剪力的科学控制和调整，并汇总和整理地震时程曲线相关数据，为优化高层建筑结构抗震性能提供重要的依据和参考。此外，还要针对振型分解需求，确保高层建筑结构底部剪力符合相关规范和要求，为进一步提高高层建筑结构的抗震性能产生积极的影响[9]。

3.4 楼层剪力

在进行高层建筑结构抗震设计的过程中，设计人员要重视对楼层剪力的控制，确保该结构抗震防裂强度达到七度，然后，在降低设防地震幅度的前提下，从非抗震结构和抗震结构两个方面入手，尽可能降低地震影响程度，为进一步提高高层建筑结构的抗震性能打下坚实的基础[10]。此外，设计人员还要沿着水平方向，根据抗震设计相关标准和要求，对剪力和浮力进行调整和控制，将地震波降到最低，从而实现对高层建筑结构抗震的科学设计，最后，还要重视对高层建筑结构水平减震系数的控制，确保水平减震系数与楼层剪力相吻合，避免两者数值相差过大而影响高层建筑结构最终抗震设计效率和效果。与非抗震结构相比，抗震结构所获得的水平减震系数较高，由此可见，通过利用铅芯橡胶抗震支座，对高层建筑结构进行抗震设计，不仅降低了上部结构的地震效果，还最大限度地提高了上部结构的抗震性能，为保证高层建筑的稳定性、可靠性和安全性，保证人们居住安全打下坚实的基础。

3.5 抗震层位移

设计人员在进行高层建筑结构抗震设计的过程中，要重视对抗震层位移的控制。首先，要将抗震设防烈度设置为7°，然后，借助地震作用，将各个抗震支座进行有效地结合，使其成为一个统一整体，便于设計人员的集中化管理和使用，同时，还要严格按照抗震层位移相关标准和要求，对抗震支座水平位移量进行科学控制和调整，避免因抗震支座水平位移出现偏差而严重影响高层建筑结构的抗震性能，进而为居民造成不必要的麻烦。

3.5.1 抗震支座水平位移验算

为了更好地验证高层建筑结构抗震设计操作的有效性和可靠性，设计人员要针对该工程的施工需求，利用多种类型的抗震支座，实现对铅芯橡胶抗震支座直径的科学控制和调整，在此基础上，针对橡胶层的实际厚度，根据高层建筑结构抗震设计相关标准和要求，精确计算抗震支座的水平位移量，然后，在地震的作用下，对抗震支座的最大水平位移量进行计算和统计，从而保证位移量计算结果的真实性、准确性和完整性，从而进一步提高高层建筑结构抗震设计的规范性、标准性和科学性。

3.5.2 抗震缝确定

在节能高层建筑结构抗震设计的过程中，设计人员要在装配式构件的应用背景下，完成对抗震缝的精确计算和界定。首先，要针对抗震结构的特点，在地震的作用和影响下，将抗震支座水平位移量设置为140.9mm，同时，还要将抗震缝设置为17.89mm，将该工程的抗震缝宽度设置为250mm，为后期更好地控制高层建筑结构的抗震性能提供重要的依据和参考。

3.6 抗震支座拉应力验算

为了保证对高层建筑结构抗震设计水平，保证高层建筑的安全性，设计人员在装配式构件的应用背景下，要重视对抗震支座拉应力的验算，确保抗震支座拉应力符合抗震设计相关标准和要求。首先，设计人员要在综合考虑铅芯橡胶抗震支座特性的基础上，尽可能提高该支座的拉压平衡性，确保在验算操作规范的情况下，采用构建拉压刚度模型的方式，尽可能地提高铅芯橡胶抗震支座的刚度和硬度，同时，还要在地震的作用和影响下，对各个铅芯橡胶抗震支座的最大拉应力进行一一检验，确保该支座的拉应力符合抗震设计相关规范和要求，只有这样，才能进一步提高铅芯橡胶抗震支座的最大承载力，避免因该支座承载力过小而降低高层建筑结构抗震性能。同时，为了保证抗震支座拉应力最终计算结果的真实性、准确性和完整性，设计人员还要通过利用装配式构件，针对钢筋混凝土的使用特点，实现对高层建筑结构的抗震性能不断修改、优化和完善，为进一步提高高层建筑结构的抗震效率和效果，保证居民的财产安全和人身安全发挥出重要作用。另外，还要严格按照相关标准和要求，将铅芯橡胶抗震支座拉应力设置在1MPa以下，从而最大限度地提高高层建筑结构的抗震性能。

3.7 高层建筑结构抗震分析模型构建

在装配式构件的应用背景下，为了进一步提高高层建筑结构的抗震性能，设计人员在进行抗震设计的过程中，要重视对抗震分析模型的构建和应用，确保抗震设计工作有据可依，有章可循。首先，要利用装配式构件，根据高层建筑工程施工需求，尽可能提高各个楼面的变形量，同时，还要采用扩大楼面刚度的方式，将各个楼面进行有效地结合，不断地扩大楼面的规模和数量，为后期更好地开展抗震设计工作打下坚实的基础。同时，还要采用水平振动的方式，利用地震的作用和影响，确保各个楼层盖能够沿着水平方向进行振动，并保证高层建筑结构不会出现变形现象，从而进一步提高高层建筑结构的抗震性能。此外，设计人员要根据抗震设计需求，在装配式构件的应用背景下，尽可能提高高层建筑结构稳固性和坚固性，避免因高层建筑结构不稳定埋下一系列的安全隐患。此外，在构建高层建筑结构抗震分析模型的过程中，设计人员还要利用自有振动方程，精确地计算和统计高层建筑结构的质点数、自由度和恢复力。其中，在计算质点数的过程中，设计人员要采用串联质点的方式，将所有竖杆上的质点进行有效地连接，在此基础上，针对房屋楼层数，精确计算和统计高层建筑结构的质点数量。在计算高层建筑结构自由度的过程中，设计人员要采用构建二维空间的方式，将多个质点进行串联处理，然后，采用自由振动的方式，将所有质点独立移动到特定的位置，然后，计算出各个质点系的自由度，为后期更好地优化抗震设计流程提供重要的依据和参考。在计算高层建筑结构恢复力的过程中，设计人员要针对高层建筑结构的水平针对状态，根据各个质点对应的恢复力，采用侧移的方式，将各个质点移动到相应的区域，然后，利用水平杆对质点的影响，在保证竖杆件和楼盖不变形的前提下，完成对高层建筑结构恢复力的科学计算。最后，为了进一步地提高高层建筑结构抗震分析模型的构建水平，设计人员还要借助高层建筑的刚度矩阵，采用串联多个质点的方式，将各个质点进行有效地连接，确保竖向杆与水平杆能够沿着质点的方向进行移动，以实现对高层建筑结构抗震分析模型的科学建构和应用，只有这样，才能充分发挥和利用装配式构件的应用优势，实现高层建筑结构抗震性能的全面提高。

4 结语

综上所述，通过对钢筋混凝土高层建筑工程进行抗震结构和非抗震结构设计，对高层建筑的抗震性能进行验算和分析，得出以下结论：

（1）与非抗震结构设计相比，抗震结构设计在前3个阶段中，可以将自振周期最小扩大倍数控制在2倍之内，不仅有效地延长了抗震结构使用寿命，还降低了上部结构的地震响应程度。

（2）当高层建筑在水平向减震系数被控制在0.512以下时，抗震结构的地震影响系数达到了0.048，为降低上部结构的地震效应，提高上部结构的抗震效果提供有力的保障。

（3）通过采用重力荷载的方式，可以实现对抗震支座压应力的有效控制和调整，确保在地震作用下，抗震支座的水平位移满足相关标准和要求。由此可见，在装配式构件的应用背景下，高层建筑结构抗震性能得到有效提高，为保证人们居住的安全性和可靠性提供有力的保障。

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