超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)與探究

【摘要】現(xiàn)代化工程不斷發(fā)展，帶給建筑領(lǐng)域新的發(fā)展契機(jī)。隨著高層、超高層建筑建設(shè)，超限高層建筑也出現(xiàn)在人們視野中。但是由于超限高層結(jié)構(gòu)有超限情況，需要科學(xué)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本文針對(duì)超限高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性加以研究，為后續(xù)超限高層工程開展提供參考。

【關(guān)鍵詞】超限高層建筑;結(jié)構(gòu)抗震;超限設(shè)計(jì)? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.043

國(guó)家土地資源用地緊張，使得超限高層建筑誕生。超限高層結(jié)構(gòu)受到行業(yè)需求，但是其抗震性能卻是不可忽略的重要內(nèi)容。需要采取有效措施，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。滿足超限設(shè)計(jì)的需求，能夠在地震情況下，保證建筑結(jié)構(gòu)安全，達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

1、前言

超限高層指的是當(dāng)前建筑領(lǐng)域建筑類型之一，超限高層工程超出國(guó)家現(xiàn)行規(guī)定，適合應(yīng)用于不規(guī)則的高層建筑工程。針對(duì)此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國(guó)家規(guī)定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，還額外提出特殊要求。超限高層應(yīng)保證超限程度得到科學(xué)控制，并針對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)抗震性能進(jìn)行計(jì)算，確保抗震性能符合施工需求。地基基礎(chǔ)等都需要通過抗震測(cè)試，需要做好抗震試驗(yàn)要求。

概念設(shè)計(jì)指的是相對(duì)于數(shù)值設(shè)計(jì)反映出的結(jié)構(gòu)整體情況，可以將其理解為建筑的宏觀設(shè)計(jì)。超限高層建筑需要合理布設(shè)結(jié)構(gòu)，應(yīng)確保建筑結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱，滿足建筑的豎向荷載指標(biāo)，結(jié)合剛度、強(qiáng)度等因素進(jìn)行綜合考慮。但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，保證結(jié)構(gòu)完全均勻存在較大的困難。對(duì)此，還需要結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)置，改善地震時(shí)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，保證建筑超限設(shè)計(jì)的合理性。

2、超限高層建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)

2.1工程概況

為了更好的闡述超限高層建筑，根據(jù)某工程的建筑進(jìn)行分析。該工程擁有42層地上建筑結(jié)構(gòu)，高度在120m;含地下停車場(chǎng)一層，整體設(shè)計(jì)按照年限50年進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)為7級(jí)。基本風(fēng)壓按照0-70kPa計(jì)算，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

該部分為剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于超限高層中的B級(jí)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系見圖2。

2.2結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)國(guó)家建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)定，以及高層、超限高層建筑抗震技術(shù)要點(diǎn)，工程結(jié)構(gòu)超限情況如下。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，考慮到扭轉(zhuǎn)位移等情況，設(shè)置為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;平面凸出比例按照 ，為凹凸不規(guī)則。奇數(shù)層需要開洞，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)布局貫穿剪力墻的情況，保持局部不規(guī)則。各個(gè)關(guān)鍵部位的性能指標(biāo)如表1所示。

2.3結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

（1）振型分解反應(yīng)譜

使用YJK和PKPM軟件進(jìn)行分析，對(duì)建筑彈性模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)小震規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行分析，考慮到地震作用影響，需要綜合性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果中能夠得知，結(jié)構(gòu)中第一扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期相比較，參數(shù)結(jié)果小于0·90，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)良好的抗扭性能;地震作用下最大層間的位移角，計(jì)算結(jié)果小于1/1000，滿足高度規(guī)定要求;樓層側(cè)剛度能夠得達(dá)到90%的比值;經(jīng)過兩種軟件計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)果相差并不大，許多結(jié)果參數(shù)相同。可以證明結(jié)構(gòu)體系選擇合理，能夠保持良好的抗側(cè)與抗扭能力。

（2）彈性時(shí)程

采用YJK對(duì)地震時(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算，選擇天然與人工波進(jìn)行比對(duì)分析。根據(jù)建立反應(yīng)參數(shù)值，建立分析表，如表2所示。根據(jù)選取的三組天然波和兩組人工波進(jìn)行計(jì)算，能夠獲得結(jié)構(gòu)基地剪力情況。時(shí)程分析得出的平均值與CQC計(jì)算法結(jié)果相比較，均大于其結(jié)果，可以證明滿足抗震能力需求。

時(shí)程計(jì)算結(jié)構(gòu)與反應(yīng)譜分析結(jié)果相同，分析結(jié)果經(jīng)過CQC計(jì)算法進(jìn)行放大計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)中各個(gè)樓層位移曲線形狀相似，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度均勻，具體如圖三所示。

（3）重要構(gòu)件中震彈性

使用軟件PKPM對(duì)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件與承載性能進(jìn)行驗(yàn)算，中震彈性計(jì)算下，能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)的基底剪力情況做出科學(xué)計(jì)算。設(shè)定的目標(biāo)應(yīng)是保證抗剪彈性與抗彎不屈服，經(jīng)過驗(yàn)算后的結(jié)果與性能目標(biāo)符合，證明符合設(shè)計(jì)需求;針對(duì)于罕遇的地震動(dòng)力彈塑性，根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。建筑遭遇高于設(shè)計(jì)抗震等級(jí)時(shí)，不倒塌或者遭遇嚴(yán)重破壞，需要對(duì)建筑的罕遇地震動(dòng)力彈塑性進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析最大彈塑性層間位移角參數(shù)是否滿足規(guī)范要求，應(yīng)保證建筑結(jié)構(gòu)做到大震不倒的抗震設(shè)計(jì)要求。剪力墻處于輕微輕度破壞損傷，框架梁中度中等破壞損傷;大部分連梁受損，但是耗能作用明顯。表明在當(dāng)遇到遭受罕遇地震時(shí)，建筑建筑物結(jié)構(gòu)盡管雖然受到遭受影響，但是建筑結(jié)構(gòu)依舊發(fā)揮出較好的抗震性能，能夠抵御地震帶來的影響。

2.4結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

針對(duì)于超限高層結(jié)構(gòu)地震抗震能力測(cè)試，想要提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)結(jié)構(gòu)體系布置情況加以完善。結(jié)構(gòu)在商業(yè)裙房位置應(yīng)對(duì)其涉及到的范圍進(jìn)行考慮，同時(shí)考慮到地下停車庫(kù)。框支柱與梁涉及結(jié)構(gòu)，采用型鋼提高抗震能力。型鋼能夠減小截面，有效提高承載力抗震延性。樓板厚度按照100、110、150、180進(jìn)行選擇，并對(duì)裙房頂板采取加厚處理。針對(duì)于樓板應(yīng)力，為了保證樓板有足夠的應(yīng)力，應(yīng)選擇框梁做有限元分析，保證結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的合理性。針對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震，經(jīng)過專家分析和計(jì)算后，應(yīng)采取如下的措施：加強(qiáng)底部豎向結(jié)構(gòu)承載能力，保證截面不屈服、豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足剪截面需求;抗震等級(jí)全部采取一級(jí)抗震等級(jí)，中震則按照風(fēng)荷載與拉應(yīng)力的豎向結(jié)構(gòu)計(jì)算。中震時(shí)雙向水平地震作用根據(jù)風(fēng)荷載與豎向結(jié)構(gòu)截面軸向力計(jì)算，保證抗拉強(qiáng)度不會(huì)超出200MPa的標(biāo)準(zhǔn)值。按照時(shí)程分析結(jié)果對(duì)裙房以上的樓層進(jìn)行思考，對(duì)裙房以上的樓層結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并保證結(jié)構(gòu)符合抗震剪力需求。剪重比不夠時(shí)，放大后的樓層層間位移角應(yīng)滿足抗震要求。穿層剪力墻需要配合鋼筋安裝情況，對(duì)樓層整體以及復(fù)式樓層一起計(jì)算。復(fù)式樓層基底剪力不得小于模型模擬參數(shù)，并對(duì)實(shí)際高度進(jìn)行復(fù)核。

經(jīng)過一系列驗(yàn)證后，能夠證明超限高層建筑設(shè)計(jì)過程中，會(huì)遇到不同的地震情況，還會(huì)受到風(fēng)荷載影響。需要基于YJK和ETABS軟件對(duì)建筑的抗震能力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。確保建筑處于彈性階段，承載力與變形能力均能滿足規(guī)范的實(shí)際要求。設(shè)置防震過程中，需要結(jié)合時(shí)程、反應(yīng)譜分析結(jié)果，確保分析結(jié)果的規(guī)律性。根據(jù)工程實(shí)際情況做出判斷，保證預(yù)定抗震性能符合建筑超限設(shè)計(jì)要求。剪力墻應(yīng)滿足不屈服的要求，并保證建筑結(jié)構(gòu)底部框架柱與其他框架柱均能不屈服，提高預(yù)定抗震性能。遭遇罕遇地震時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)彈塑性位移與層間位移滿足要求，保證抗側(cè)力構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞情況。

結(jié)論：

超限高層建筑設(shè)計(jì)過程中，科學(xué)選擇結(jié)構(gòu)體系布置方法，計(jì)算相關(guān)性能的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行分析。確保能夠建筑結(jié)構(gòu)能夠在地震中保障結(jié)構(gòu)安全，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件性能加以強(qiáng)化，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，滿足超限設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。確保建筑完工后，建筑結(jié)構(gòu)整體性能能夠具備良好的超限抗震性能，保障建筑安全。

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作者簡(jiǎn)介：

仇進(jìn)冬（1983-），男，漢族，江蘇儀征，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。