工民建结构设计中的抗震设计研究

2023-08-17谷永涛

建材发展导向 2023年14期

谷永涛

(上海市城市建设设计研究总院有限公司安徽分公司，安徽合肥 230000)

国内地震发生次数较多，表现出较强的地震突发性、位置随机性、灾害不可预测性等特点，需要加以防控，减少地震损失。当前，各国均在研究建筑结构的抗震形式，以此增强工民建整体的抗震能力，积极防控地震问题，增强工民建结构的平稳性，尽可能地防控地震风险。抗震结构设计期间，设计师需明确抗震结构的组成，从梁、柱等多个方面，给出抗震设计方案，以此增强抗震结构性能。

1 N工程概况

N项目周边交通发达，主建任务是1#高层，预计建筑高度为198.12m。N项目的各项设计目标，如表1所示。

表1 N项目各项设计目标

在地质勘察期间，N项目施工范围内，未见不良地质问题，参照工程勘察的相关要求，认定N项目施工区域内，正处于“抗震一般”类型的地段。

2 N建筑抗震设计实践分析

2.1 抗震结构设计的关键点

2.1.1 以建筑功能为出发点

发生地震时，震源位置会汇聚较多的地震波。如果建筑项目与震源相距不远，震源波会形成一定冲击作用，使建筑结构出现不同程度的损坏。为此，以往期实际发生的最强地震为参考，积极控制震源波带来的冲击作用，降低建筑结构受损量，成为抗震设计工作的关键话题。值得注意的问题是建筑项目的底部位置，均应拥有较强的抗震性能，以此保证建筑结构的平稳性。风压、降水等自然条件，会形成一定荷载作用，在一定程度上会削弱工民建结构的性能，从平稳性、防护能力、耐用性各个方面，引起建筑结构出现损坏。为此，抗震设计期间，设计者需综合考量各类因素，以增强建筑功能为目标，给出全面的抗震设计方案，以此提高结构抗震能力[1]。

2.1.2 依据结构形式给出抗震设计

一般情况下，钢混材料用于抗震设计时，需明确给出各位置的参数。设计人员应尽量控制配筋率参数，以此保障建筑抗震性能。在横纵两类墙体结构中，需进行防震缝设计。屋顶楼梯、电梯、建筑顶层等位置，进行结构联合设计，以此增强结构整体的抗震效果。

2.1.3 合理分配建筑场地资源

一般情况下，建筑结构抗震表现，主要关联于建筑场地。为此，工民建进行抗震规划时，会考虑多个因素。1)建筑结构设计时，从建筑外部组成、内部构造、建筑间距各方面加以考量。针对有碍于抗震设计、不利于人们撤离的物品，进行全面清理；2)应对地震问题，设计相应的安全出口，从数量、宽度等多个方面，进行疏散通道设计，保证疏散质量；3)依据工程实况，进行地基处理，以此改善地基性能。

2.2 抗震设计方法

2.2.1 可靠性设计方法

地震事件具有“事发偶然性”“地点随机性”等特点，会引起建筑结构出现多种不可控问题。为此，以结构可靠性为出发点，进行结构抗震设计，是增强结构抗震性能的关键措施。可靠性设计期间，主要是利用“可靠度理论”“可靠指标”，综合评价特定结构的性能，分析其内在的多种因素。利用特定的评价方法，综合测定结构可靠性。此种设计方法，主要是简化结构方案，使用静力结构的设计方案，解决各类结构动力分布问题。此种设计方法，多用于工程初期设计环节，用于判断结构性能，作为改善方案的方向[2]。

2.2.2 承载力设计方法

以结构承载性能为考量因素的设计方法，在国内抗震设计中使用次数较高。设计人员会借助概念设计法，初步确定结构设计方案，恰当选取“折减”“放大”等类型的系数，判断结构承重能力。此种设计方法，旨在利用结构承载性能，使结构在地震条件下保持弹性状态，以此减少地震带来的冲击作用，具有较高的经济性。在实践工程设计期间，主要使用“振型分解”“底部剪力”等方面，进行抗震规划。承载性设计，多用于需要弹性设计的结构类型，不可用于塑性状态的结构中。

2.2.3 位移设计方法

位移控制方法，是以结构形变、位置改变为方向，以此判断结构方案在各类地震条件下的受损情况。1)位移控制的设计宗旨，是借助单体进行地震位移量的判断，以此推断出建筑结构可能发生的位移量。测算结果与位移限值进行对比，以此评价结构设计的抗震能力。此种设计方法的操作性较强，在高烈度地震区域内，具有一定适用性；2)能力分析法是借助结构底部的剪力表现、结构顶处的位置改变量，进行抗震分析。此方法分析过程简单，是参照国内的抗震设计要求，初步评估建筑结构的抗震能力。使用有限元程序，比如ANSYS、 ABAQUS等，测定在不同地震条件下，建筑结构的“底部剪力表现”“顶部位移改变量”，进行抗震分析。此方法多用于结构设计方案的性能评价，可设计多种地震条件，给出结构设计的抗震表现[3]。

2.3 N项目结构选型

2.3.1 选择竖向承重结构类型

竖向承重结构的设计任务，主要是在竖向、横向两类荷载条件下，保持整体结构的平稳性，减少结构出现变形、位移改变等问题。通过竖向承重结构，将作用力转移给基础，以此抵消荷载带来的影响。为此，在结构设计期间，需保证竖向承重结构的性能。竖向承重结构的设计方案有多种形式，具体包括：“框架型”“剪力墙型”“框-剪型”“筒体型”。

1)框架结构类型，主要使用横梁、立柱两类构件进行承重设计，采取“刚接”“铰接”两种方式，组合成承重骨架。此结构的优势：结构完整性较强，具有较高的空间划分自由性，便于进行空间布置，能够组成较大的空间，材料轻便，成本价值较高。此结构的使用限制：不宜用于>20层的建筑项目中，地震频发地段的结构层数需≤10层。

2)剪力墙结构类型，是指在横、纵两个方向具有承重性的结构。此结构的抗震优势是：抗侧移能力较强，整体抗震性优异，结构承载性能、抗震表现较强。此结构使用时，会限制空间规划的自由性。此结构抗震表现优异，多用于高层建筑。

3)框-剪结构，此结构利用框架与剪力墙的两个组成，共同承担竖向、横向的荷载作用。此结构综合性能介于框架、剪力墙两者之间，拥有框架结构空间分配的自由性，兼具剪力墙较强的抗震能力。此结构在抗震设计中的使用量较高。

4)筒体结构，此结构是在剪力墙周边，建立竖向筒体，筒体用作抗侧力的部件。筒体结构表现出较强的刚度，抗侧移、自主承载性能各方面，均有优异表现，多用在高层建筑项目。此结构的空间划分自由性较好，成为当前高层结构设计的主要形式。

N项目的建筑功能为“综合体”，参照建筑组织的“成本控制”思想，需选择竖向承重结构，以此保证结构布置的简约性，增加空间设计的自由性。N项目的结构高度为156.68m，参照结构设计的相关要求，此高度的防裂度级别为“6”。考量建筑项目自身性能较好，明确竖向承重结构类型，选定“框-筒”形式进行结构设计。

2.3.2 选择横向承重结构类型

横向承重体系，主要用于承担竖向荷载、连接各竖向组成形成的水平荷载，具体包括：楼盖、屋盖等。此承重结构的设计，能够有效承担竖向荷载，将荷载回传给竖向结构，以此保持竖向结构的平稳性，给予竖向结构相应的横向支撑作用，有助于增强横向、竖向两类承重结构的完整性，防止承重体系出现失稳现象。1)肋梁楼盖。此结构主要含有“梁”“板”两个组成，将板、梁组合而成，梁多数是采取双向正交设计方式，板分割成支撑结构，设计成“连续板”“单块板”的形式。依据梁、柱的组合形式，肋梁楼盖含有多种类型：单侧型、双向型、井字型等；2)无梁楼盖。此结构形式，在楼板下方未设梁，楼板与墙柱相互支撑，楼面荷载从楼板传输给墙柱的横向承重组成。此结构设计优势：结构简单，美观性较强，工程操作简便，能够有效调整楼层高度。此结构使用时，要求楼板厚度达到规范，会消耗较多的楼板材料，承重性较大，承载力较差。此结构多用于高层建筑中；3)组合楼盖。此结构是使用钢板、钢梁等多种类型的构件，联合现浇模板组合而成的楼盖结构。此结构表现出“强度大”“重量小”“抗震能力优异”“工程操作简便”等优势[4]。参照N项目的空间规划、工期、工艺各项因素，横向承重结构施工时，拟用现浇工艺，选择钢混材料，制成“肋梁楼盖”结构，以此组成横向承重体系。

2.3.3 选择底部承重结构类型

底部承重组成，多数是指建筑项目最底部的结构。底部承重设计，是建筑结构设计的关键项目，能够承担建筑结构的全部荷载，当结构出现损坏、形变量较大等问题时，均会引起结构失稳、结构损坏等现象。选择多种类型的基础结构，会降低建筑结构的整体性能。1)独立基础结构。此结构平面有多种外形特点，包括“圆形”“矩形”等。此结构的优势为：基础埋置位置不深、材耗量不高、成本不高、工艺操作简单、工期不长、无需进行地基特殊处理；2)条形基础。将柱下、墙下等位置的基础结构，设计成连续型、多个矩形的基础结构。当柱、墙承受的荷载值较高，地基实际承受的承载能力不大，需要较大的基础底面，制作成独立基础。此种结构设计的经济性较差，极易出现相邻基础间隔不大的问题，增加施工操作的繁琐性。在此种条件下，可使用条形基础进行施工；3)筏形基础。在承台位置进行柱、墙的支撑设计，在承台底部位置添加多个桩，组合成一个基础结构，用于承载上部区域的荷载作用。借助基桩作用，将作用力传送至地基持力层。此基础埋置深度较大，承载性能优异、结构形变量不大、具有较强的抗拉、抗拔性能。

依据N项目的周边条件，建筑项目的绝对标高参数为57.158m，初步确定21.58～30.56m位置作为建筑持力层。如果基础埋深参数较大，不宜选择较浅的基础结构。当埋深参数较大时，需考量地下水位可能带来的抗浮作用。建筑项目楼层较高，自身重量较大，相应增大了承重体系的性能要求。为此，N项目底部承重的结构类型，应选择“桩基础”进行结构设计。

2.4 确定N项目的构件参数

依据构件尺寸的设计方法，逐一给出N项目抗震设计的构件参数。使用线上平台，持续优化构件参数，综合获取“剪力墙”“柱”等重要构件的参数方案。N项目剪力墙的厚度≤900mm，900mm的墙体结构设计在结构首层。楼层增加时，墙体厚度逐层减小，墙体顶层的墙体厚度≥300mm。柱的截面各边长参数≤1600mm，边长为1600mm的柱体，位于建筑首层。楼层增加时，柱的边长逐层变小。顶层柱体边长≥900mm。核心筒剪力墙的材料类型、布置方法，与框架柱的工艺方案一致：1—10F的材料级别为C60，+5层材料级别降低一个层次，材料最低的级别为C30。剪力墙、柱两类构件的竖向受力钢筋，材料强度取HRB400。如表2所示，是各层剪力墙参数、柱参数、材料强度的设计方案。

表2 各层剪力墙参数、柱参数、材料强度的设计方案

2.5 结构建模设计注意事项

将N项目的抗震设计参数导入模型，模拟验证其抗震性时，抗震建模分析工作，主要关注如下各类问题。1)添加建筑图轴网各项数据时，如果出现无用的轴线、节点等问题，需人工进行清除处理，防止增加建模运算量；2)设计加腋梁期间，程序中并未设计加腋梁的参数、种类等信息，需设计人员自行添加梁构件的信息，增设加腋梁的类型，逐一填写构件参数；3)建筑结构的楼梯，无法进行建模。参数导入时，需将楼梯位置的楼板参数改为“0”，同步填写各楼梯的荷载参数；4)如果工程有人防设计项目，需在标高“0”m以下范围的楼层处，添加人防荷载；5)参照增加节点抗震性能的设计理念，在剪力墙、梁体连接的位置，添加80%铰接，以此分散节点位置发生的弯矩。如果次梁刚性较高，可据实进行全铰接处理；6)结构建模完成，需查看各楼层的材料参数、材料性能、钢筋型号等各类参数添加的准确性；7)检查结构模型设计情况，检查项目有：剪力墙、柱体之间存在的重叠情况，查看梁体、楼层之间存在的悬空问题，排除墙洞出现的超高现象，判断荷载规范性等[5]。

2.6 结构模型的抗震设计控制方法

2.6.1 位移比

位移比的抗震设计控制理念，是指测定楼层竖向承重组成的横向位移最大值，与所在楼层横向位移平均数之间的比值。抗震设计中，设定此指标进行抗震控制，旨在保持主体结构的弹性特点，防止竖向承重组件发生裂缝问题，合理消除结构平面设计的不规整情况，严防出现较高的扭转现象，保持结构性能的平稳性。在验证位移比时，需分析偶然偏心因素，同步使用强制刚性楼板给出假设。如果位移比>1.2，需判断双向地震的设计需求。参照国内抗震设计的相关要求，在横向地震力条件下，同步判断偶然偏心带来的不利作用，高度不足150m的高层建筑，位移比应介于1.2与1.5之间，高于150m的建筑项目，位移比应处于1.2～1.4之间。N项目位移比的控制方案，如表3所示。

表3 N项目位移比的控制方案

2.6.2 层间位移角

层间位移角具体表示在地震条件下，各楼层出现的横向位移最大值，与楼层高度之间的比值。此参数控制理念，与位移比的抗震控制思想一致，均是保持结构拥有较强的刚度，有效控制位移量。相比位移比，在测定层间位移角大小时，无需考量偶尔偏心问题。如果层间位移角较大，需采取多种措施，进行位移调整。1)适当增加竖向承重组成的截面参数；2)适当增加材料强度级别。N项目的位移角参数应控制在1/768以内，以此提高抗震性。

2.6.3 周期比

周期比，是指结构发生扭转时的自振周期T1，与平面移动周期T2的比值。当T1与T2参数相近时，在振动偶联的负面条件下，地震中的结构扭转量会明显增加。参照国内抗震设计的相关内容，建筑高度不足150m时，周期比参数应≤0.9。建筑高度大于150mm时，周期比参数应≤0.85。此参数控制期间，能够保证竖向抗侧力组件分布的均匀性，使建筑结构拥有充足的抗扭刚度，以此有效抵消地震作用带来的结构扭转问题，防控平面、扭转两种结构变动形成的耦联效应，以此保证结构抗震能力[6]。如表4所示，是N项目周期比的取值方案。

表4 N项目周期比的取值方案

2.6.4 层间刚度比

层间刚度比，是指各楼层对抗结构侧移问题的刚度之比。抗震设计中，设定此参数控制项目，旨在保持竖向承重构件分布的规整性，防止出现薄弱层问题。依据抗震设计的相关要求，如果层间刚度比的设计方案不合规，可适当控制相邻上层竖向抗侧力结构的表面规格，相应调整材料强度级别。如表5所示，是N项目梁刚度的调整方案。

表5 N项目梁刚度的调整方案

2.6.5 层间承载力的比值

各楼层之间的承载力之比，是指单层各项抗侧力结构的承载力作用之和，与上一层全面抗侧力结构的承载力总和之比。此控制参数，主要用于判断竖向不规则结构的性能，主要排查结构薄弱层问题。如果此项参数不合规，可采取的工艺优化措施：增加薄弱层的配筋量，提高材料强度、增大构件截面规格。N项目检测时，发现各项数据应高于规范值0.75，并不存在薄弱层问题。

2.6.6 剪重比

剪重比具体表示在横向地震条件下，结构承受的“剪力”与“自身重力荷载”之比。当结构基础周期高于3.5s时，结构检测发现薄弱层，需进行剪重比控制。在实际控制期间，主要由底层进行剪重参数调整，采取由下至上、逐层增加的形式，以此增加剪重比。如果结构为柔性，整体结构的层间剪力较小，剪重比的调整方法为：增加竖向抗侧力结构的截面大小，更换强度更大的材料。N项目剪重比测定时，测定结果均处于1.15规范值以内，项目抗侧刚度较高，具有一定抗震能力。