高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計

鄭 勇

廣東博意建筑設(shè)計院有限公司長沙分公司 ，湖南長沙 410000

如今，在城市和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動下，建筑業(yè)面臨重大變革，高層建筑逐漸成為主流，在進(jìn)一步促進(jìn)城市化進(jìn)程的同時，也為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是抗震設(shè)計提出了新的要求。因此，有必要對高層建筑的抗震設(shè)計給予足夠重視，采用合理可行的設(shè)計方式，保證設(shè)計水平和質(zhì)量。

1 基于位移的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

1.1 基本參數(shù)

1.1.1 位移角限值

設(shè)建筑中某層在達(dá)到要求的位移角限值時對應(yīng)的曲線為目標(biāo)曲線，據(jù)此確定最大位移角的具體位置。最大位移角所在位置對框架結(jié)構(gòu)而言，可取柱截面和底層開始發(fā)生變化的樓層；對框剪結(jié)構(gòu)而言，可取曲線出現(xiàn)拐點的樓層；而對剪力墻結(jié)構(gòu)，一般直接取頂層。在這種情況下，樓層之間側(cè)向位移，按照樓層的實際位移差值進(jìn)行計算[1]。

位移的確定需要充分考慮結(jié)構(gòu)性能。為方便分析和計算，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)性能分為以下三個等級：一，良好；二，保證人身安全；三，防止倒塌。各等級條件下的位移角限值要求為：（1） 當(dāng)結(jié)構(gòu)性能為“良好”時，框架結(jié)構(gòu)位移限值應(yīng)取1/500，框剪結(jié)構(gòu)取1/800，剪力墻結(jié)構(gòu)取1/1000；（2） 當(dāng)結(jié)構(gòu)性能為“保證人身安全”時，框架結(jié)構(gòu)位移限值應(yīng)取1/200，框剪結(jié)構(gòu)取1/220，剪力墻結(jié)構(gòu)取1/250；（3）當(dāng)結(jié)構(gòu)性能為“防止倒塌”時，框架結(jié)構(gòu)位移限值應(yīng)取1/50，框剪結(jié)構(gòu)取1/100，剪力墻結(jié)構(gòu)取1/120。

1.1.2 結(jié)構(gòu)振型與自振周期

設(shè)結(jié)構(gòu)不同振型下的位移形式和它的振型形狀相類似，求取不同振型在特定性能下的實際位移目標(biāo)值，其中應(yīng)以振型形狀的正確選定為前提。就目前來看，高層建筑對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可采用計算機(jī)完成，極大地簡化了設(shè)計和計算的過程，并很好地保證了精度。基于此，本次也采用相應(yīng)的設(shè)計軟件實施建模與分析，以獲取抗震要求的振型與自振周期。

1.2 目標(biāo)位移計算

通常將多自由度體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為等效單自由體系來完成計算和分析，再向多自由度結(jié)構(gòu)施加一定地震作用，以此進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，涉及以下基本假定：首先，體系按照假設(shè)的側(cè)向位移出現(xiàn)一定地震反應(yīng)；其次，轉(zhuǎn)換前后體系有完全一致的基底剪力；最后，轉(zhuǎn)換前后體系所受地震作用相同，即水平方向上由地震力做的功完全一致[2]。

結(jié)構(gòu)的不同階振型處于彈塑性狀態(tài)時存在的耦合效率一般可以忽略，通過對非耦合振動作用原理的分析可知，對不同階振型發(fā)生的位移的累計曲線進(jìn)行組合可以得到結(jié)構(gòu)總位移變化曲線。基于此，即可對各階振型施以單獨分析，同時使上述假定適用于所有振型。

按上述假定進(jìn)行推導(dǎo)可得：

上式中，μ為位移的延性要求，當(dāng)為彈性階段時，取1.0；ζ0為彈性階段時對應(yīng)的阻尼比，取0.05。可見，若為彈性階段，則μ為1.0，ζeff和ζ0將相等，即0.05。

1.3 結(jié)構(gòu)不同階振型的目標(biāo)側(cè)向位移曲線

非耦合振動作用基本理論、結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)譜、體系轉(zhuǎn)換關(guān)系等都為基于高振型的建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線構(gòu)建打下了堅實基礎(chǔ)。因此，可將不同振型作為依據(jù)，采用位移反應(yīng)譜確定等效位移，再按照等效的基本原理得出位移曲線，最后通過組合得到總體位移。按照結(jié)構(gòu)在彈性和塑性條件下位移曲線相類似的基本假定，找出結(jié)構(gòu)在特定性能情況下的目標(biāo)位移。據(jù)此得到以下計算公式：

上式中，為位移限值；為j階振型對應(yīng)的目標(biāo)位移值；為水平方向上的位移，采用以下公式得出：

1.4 結(jié)構(gòu)地震作用

設(shè)結(jié)構(gòu)振型為j，所處樓層為i，則其受到的地震作用可表示為（水平方向）：

設(shè)結(jié)構(gòu)振型為j，所處樓層為i，則其受到的地震剪力可表示為：

至此即可完成第一步設(shè)計，根據(jù)目標(biāo)位移對結(jié)構(gòu)基底實際剪力與地震作用進(jìn)行計算分析。根據(jù)規(guī)范提出的設(shè)計模式，可將結(jié)構(gòu)性能為良好的地震作用和自重實施組合，再按照組合后的內(nèi)力對構(gòu)建承載力施以準(zhǔn)確計算；最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的延性設(shè)計，滿足各性能條件下對延性提出的要求。此外，有必要采用靜力彈塑性理論，對設(shè)計成果進(jìn)行檢驗[3]。

2 實例分析

以湖南某擬建高層建筑為例進(jìn)行分析，設(shè)計地上20層（地上1層高4.5m，地上2～20層的高度均為3.3m），上部結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆樓板與框架梁、柱。建筑抗震設(shè)防烈度為8度，風(fēng)荷載取0.45kN/m2，墻體類型采用輕質(zhì)墻。

根據(jù)建筑實際情況，做一下初步設(shè)計：（1） 框架柱尺寸地上1、2層為（800×800）mm，地上3～20層為（700×700）mm ；（2）框架梁尺寸橫、縱兩向分別為（300×700）mm和（300×450）mm；（3） 各層樓板厚度取100mm。建筑結(jié)構(gòu)自重荷載的代表數(shù)值與反彎點高度設(shè)計計算如表1所示[4]。

表1 建筑結(jié)構(gòu)自重荷載的代表數(shù)值與反彎點高度設(shè)計計算

將建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)不同振型的目標(biāo)位置曲線轉(zhuǎn)換為等效體系，然后采用以上公式對地震剪力進(jìn)行計算，再用式 （5） 得出每個樓層的剪力，如表2所示。

表2 建筑各樓層所受地震力

3 結(jié)語

綜合上述，基于位移的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計合理可行，具有推廣應(yīng)用價值。協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)和安全是建筑抗震設(shè)計核心內(nèi)容，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)水平在很大程度上決定了社會經(jīng)濟(jì)實力。對于高層建筑，其總造價中結(jié)構(gòu)所占比例往往較低，抗震設(shè)計方面更是少之又少。因此，在允許的情況下提高標(biāo)準(zhǔn)，并不會增加太大費用，而所能帶來的收益卻是巨大的。

[1] 李晶晶，顏秉星.高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].智能城市，2017，3（1） ：106.

[2] 高振東.高層建筑抗震設(shè)計的幾個問題分析[J].黑龍江科技信息，2015（24）：226.

[3] 羅聯(lián)訓(xùn).淺論高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中華民居（下旬刊），2014（6） ：25.

[4] 靳同良，王多祥.高層建筑抗震設(shè)計要點探討[J].甘肅冶金，2014，36（3） ：140-141，149.