基于山地建筑结构的高层建筑抗震优化设计

唐健硕（中国铁建港航局集团有限公司第三工程分公司，山东 青岛 266000）

近年来，我国城市化进程的步伐愈发紧凑，经济发展势头强劲，在这一背景下，高层建筑在山地地区的建设规模逐步扩大，成为城市天际线的一部分。为了确保高层建筑在地震发生时能够保持结构的完整性和稳定性，抗震优化设计成为当下山地建筑结构设计的关键课题[1]。山地地区独特的地质条件和地形特点，为高层建筑的抗震设计带来了前所未有的挑战。首先，山地地区的地质条件复杂多变，包括地壳构造、地震活动性、地形地貌等，使得山地地区的高层建筑在地震时承受的地质风险更高；其次，山地地区的地形起伏较大，高低落差明显，导致建筑物所承受的风荷载和地震作用力也相应增大。此外，山地地区的地形条件还可能引发地质灾害，如滑坡、泥石流等，对高层建筑的安全构成威胁[2-3]，研究旨在对山地建筑结构的高层建筑抗震优化设计进行研究和探讨。首先构建了桩-土相互作用分析模型实现动力特性分析，接着引入了上接地层拉梁和改变剪力墙布置的优化方案，以有效改善地震作用下的层间位移差异和层剪力问题。通过对山地建筑结构的高层建筑抗震优化设计的研究和探讨，以期推进山地地区的高层建筑抗震设计理论和技术的推广与应用。

1 基于山地建筑结构的高层建筑抗震优化设计

1.1 桩-土体系的相互作用动力分析模型构建

首先，对于土体的建模，需要采取一种合理的方法。研究选择Mohr-Coulomb 模型作为土体的本构模型，其可以充分展示出土体在受到荷载作用时的变形特征[4]。Mohr-Coulomb模型遵循Mohr-Coulomb屈服准则，根据这一准则，当土体中某一位置的剪应力达到其抗剪强度时，该位置的土体就会发生破坏。在土体建模过程中，需要注意以下几个方面：一是要充分了解土体的材料性质，包括其抗剪强度、密度、含水量等基本参数；二是要合理选择模型参数，以便更准确地反映出土体的力学特性；三是要根据实际情况确定荷载条件，以便更真实地模拟土体在实际工程中的受力状态。Mohr-Coulomb强度准则计算如式（1）所示。

式中τ代表剪切强度，Pa；φ为土体摩擦角，°；c表示土体粘聚力，Pa；σ表示法向应力，Pa。

接着进行结构分析，首先需要构建一个完整的结构模型。研究采用Abaqus有限元软件中的梁单元对建筑上部结构的梁和柱进行模拟，梁单元的分析原理基于主要纤维模型，可以准确地反映出梁截面在受力过程中的性能变化[5]。通过这种方法，可以更好地了解梁在各种受力条件下的反应，为后续的结构设计提供依据。此外，研究过程中还采用了等效原则，将钢筋和混凝土材料简化为同一材料，将钢筋的力学特性以等效的混凝土材料表示。这种等效后的材料具有一定的弹塑性本构行为，可以更好地反映实际结构中钢筋和混凝土的协同作用。在此基础上，研究使用Von-Mises屈服准则来描述这种等效材料的塑性变形特性，同时采用相关联流动规则的双线性等向硬化模型来描述其弹性变形特性。

满足Von-Mises 屈服条件的单轴屈服应力计算如式（2）所示。

式中J2表示应力偏量的第二不变量，J2代表单轴的屈服应力，Pa；Hα表示硬化参数，其定义如式（3）所示。

式中σx代表屈服后的材料单轴应力，Pa；εxp代表单轴塑性应变。

在应力-应变曲线上的斜率表示如式（4）所示。

最后，研究通过将土体模型和结构模型进行耦合，建立桩-土体系的相互作用模型，主要通过定义接触单元来模拟桩与土体的接触。由于桩和土体之间存在着明显的材料性质差异，当二者承受的荷载超过一个限值后，两者之间的交界面会出现滑动、挤压等现象。完全耦合的接触设置无法真实地反映桩和土界面的实际情况。因此，在桩-土结构相互作用分析中，需要考虑桩与土的接触效应，并进行桩-土接触的模拟。研究在Abaqus 中采用面-面接触算法来模拟桩-土接触，这种接触模型需要定义一个主控面与一个从属面，并通过材料刚度来进行划分。

由于桩的刚度通常比土体大得多，因此研究将桩的侧面定义为主控面，将土的侧面定义为从属面，以确保在接触过程中，桩对土施加的力能够准确传递到土体中。在桩-土接触模拟中，除了定义接触面之外，还需要定义接触本构来描述接触面之间的相互作用。在三维模型中，接触面的相互作用包括法向以及切向作用。其中，法向作用在Abaqus中被定义为硬接触，只有两个接触面相互压紧时，才能够传递法向压力。而在定义切向作用时，假设接触面上存在Coulomb 摩擦，并且规定了摩擦系数和极限切应力。当实际切应力小于极限切应力时，则认为接触面之间没有相对位移；而当实际切应力大于极限切应力时，接触面就会发生相对位移。通过桩-土体系的相互作用动力分析模型的构建，研究进行动力分析后，可以得到受力和变形结果。对分析结果进行评估和解读，分析结构的抗震性能和稳定性，以实现进一步的优化设计和改进。

1.2 桩-土相互作用体系优化设计

1.2.1 上接地层拉梁设置

在山地建筑中，由于地形的不平坦和地震的影响，结构的变形和受力会出现不均匀的情况。为了优化山地框架剪力墙结构上接地层和掉层部分的受力情况，使结构的变形满足规范要求，研究在上接地处中间跨设置了拉梁。设置上接地端拉梁的步骤如下：首先，确定拉梁的位置。通常情况下，拉梁位于剪力墙的上部，与基础的上端相连接。确定拉梁位置时，需要考虑整体结构布局以及地震力的传递路径，通过分析结构的荷载传递和抗震需求，确定拉梁的尺寸和形状；其次，进行布置方案分析。这一步骤包括确定拉梁的具体尺寸和形状，以适应结构的荷载传递和抗震需求。在优化布置时，需要考虑拉梁与剪力墙、楼板和基础的连接形式，以及相应的连接细节设计。在设计拉梁时，需要考虑桩-土-结相互作用的影响，这涉及桩的选型和布置，以及拉梁与桩的连接方式。桩-土-结相互作用的合理考虑可以提高结构的抗震性能；最后，设计连接细节是设置上接地端拉梁的重要步骤。这包括确定连接方式、连接材料和连接构造等。通过详细的连接细节设计，确保拉梁与基础、楼板和剪力墙之间的连接牢固可靠。在地震作用下，拉梁可以通过承担部分水平力，减少剪力墙的变形，并将一部分力传递到接地层。这样可以减小剪力墙的受力集中，提高整个结构的抗震性能。上接地层拉梁设置示意图如图1所示。

图1 上接地层拉梁设置示意图

1.2.2 改变结构的剪力墙布置

为了优化高层建筑结构上接地层和掉层部分的受力情况，研究对结构剪力墙的布置进行了改变。剪力墙主要集中布置在下接地端侧，现在研究主要将其平均地布置在上接地端侧和下接地端侧，同时保持每层剪力墙所占的面积不变。改变结构剪力墙的布置可以采取以下步骤：首先，确定结构剪力墙的位置。根据设计要求和地震力分布，确定结构剪力墙需要设置的位置；其次，分析结构剪力墙的布置方案。根据山地高层建筑的特点和结构剪力墙的功能，分析不同的布置方案。考虑到山地地形的不规则性，可以根据需要设置多个剪力墙，以增加结构的稳定性；接下来，通过结构分析和模拟计算，对不同布置方案的受力性能和变形情况进行评估，根据评估结果，选择最优的布置方案。在布置结构剪力墙时，需要考虑桩-土-结相互作用的影响，根据地震作用下的受力和变形情况，调整剪力墙的布置位置和数量，以保证结构的整体稳定性。为增加结构的整体刚度和稳定性，可以考虑在结构剪力墙的上部设置上接地端拉梁，这样可以提高结构的整体抗震性能。根据最终确定的布置方案进行结构剪力墙的详细设计，包括确定剪力墙的尺寸、配筋、连接方式等。在施工过程中，需要按照设计要求进行结构剪力墙的施工，同时，对结构剪力墙进行监控，确保其在使用过程中的安全性和可靠性。通过改变剪力墙的布置方式，可以使剪力墙在整个结构中更加均匀地分布，从而减小剪力墙的受力集中现象。

2 基于山地建筑结构的高层建筑抗震优化设计方案

当桩-土相互作用体系受到地震作用时，会产生较大的内力和变形。尤其是在近场地震作用下，结构上接地层的层间位移可能会超过规定值，同时在靠近上接地层的楼层也会出现地震反应的突变情况。为了确保山地建筑-桩-土相互作用体系在地震作用下的受力和变形满足规范要求，研究通过在上接地层设置与基础相连的拉梁以及增大上接地端侧剪力墙的覆盖率，以提升建筑的抗震性能。为验证基于山地建筑结构的高层建筑抗震优化设计方案的有效性，研究选取三条地震波对优化方案进行实验验证，其中包括TH1TG波、IMPVALL 波以及人工波。场地的地震波，同时选取某山地高层建筑进行实验。首先对设置拉梁前后的上接地层间位移分布进行验证，分布曲线如图2所示。由图2可知，通过设置拉梁，结构上接地层的位移变形更加均衡，减少了接地端和非接地端的层间位移差异。其中，设置拉梁前，TH1TG波的位移变形差高达0.0041m。设置拉梁后，TH1TG波的位移变形差仅为0.0033m。同时，MPVALL 波以及人工波的位移变形差也相应降低了0.0002m、0.00003m。说明拉梁设计可以提高山地建筑的抗震性能，确保其在地震作用下的安全性和可靠性。

图2 设置拉梁前后的上接地层间位移分布

研究继续验证更改结构剪力墙布置的有效性，采用高层建筑结构层的剪力进行实验对比，更改剪力墙布置前后的结构层剪力图如图3所示。与原结构相比，将剪力墙平均地布置到上接地端侧后，结构在上接地层以及以上楼层的层剪力均有所减少，而在掉层楼层的层剪力增大，且随着掉层楼层的减小，层剪力逐渐增加。由图3可知，将剪力墙均匀布置到上接地端侧后，建筑结构在上接地层及以上楼层结构的层剪力均有所下降。而在掉层楼层，层剪力有所增加，并且掉层楼层越低，层剪力越大。其中，TH1TG波在更改剪力墙布置前的最大层剪力为7265kN，更改后降低至6408kN。IMPVALL波与人工波的最大层剪力在更改剪力墙布置后也分别降低至5524kN、4839kN。同时，在掉层楼层的第一层中，TH1TG 波的层剪力从3480kN 提升至4866kN。MPVALL 波的层剪力提升了近1000kN。说明这种改变布置方式的设计策略可以优化结构的抗震性能，减少上接地层的层剪力，同时提高掉层楼层的层剪力，以满足地震作用下的安全要求。

图3 更改剪力墙布置前后的结构层剪力图

3 结语

抗震优化设计成为了当前山地高层建筑结构设计的重要议题。研究为了对山地建筑结构的高层建筑进行抗震优化设计，构建了桩-土相互作用分析模型，并提出了上接地层拉梁和改变剪力墙布置的优化方法。结果显示，设置拉梁后，TH1TG 波的位移变形差从0.0041m 降低到0.0033m，MPVALL 波和人工波的位移变形差也相应降低了0.0002m和0.00003m。同时，更改剪力墙布置后，TH1TG波的最大层剪力从7265kN降低至6408kN，IMPVALL 波和人工波的最大层剪力也分别降低至5524kN 和4839kN。这些改变可以大大提高山地建筑的抗震性能，减少地震灾害的风险。