基于時變性能的高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

于 鵬

(山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺 264000)

0 引 言

高層民用建筑是在社會發(fā)展及人類生活所需的驅(qū)使下產(chǎn)生的,同時也是城市化建設(shè)的必然結(jié)果。隨著建筑建設(shè)水平的不斷提升,輕質(zhì)、高強的建筑材料得到廣泛使用,并為高層建筑的發(fā)展提供了有力的物質(zhì)和基礎(chǔ)支撐。對于高層民用建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求,是保證在發(fā)生較小地震災(zāi)害問題時,建筑本身不會受到影響;在發(fā)生中級地震災(zāi)害問題時,建筑受損不嚴(yán)重,并且不會對居民的人身安全造成威脅;在發(fā)生大地震時,建筑不會坍塌,并且可以為居民提供有效的空間和時間,逃離建筑[1]。對高層民用建筑結(jié)構(gòu)的抗震要求,對于地震多發(fā)地區(qū)而言具有十分重要的意義。當(dāng)前傳統(tǒng)高層民用建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計,采用以三水準(zhǔn)作為設(shè)防目標(biāo)的傳統(tǒng)抗震思路,對于建筑結(jié)構(gòu)及材料本身存在的問題并沒有進(jìn)行過多考慮,導(dǎo)致在實際建設(shè)中存在只注重結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、優(yōu)化后的目標(biāo)無法完全符合 具體施工要求、無法實現(xiàn)離散變量優(yōu)化等問題,嚴(yán)重影響高層建筑的施工質(zhì)量,并且使周圍居民的安全得不到保障[2]。因此,本文針對這一問題,開展基于時變性能的高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法研究。

1 高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

1.1 建筑結(jié)構(gòu)抗力時變模型

在對高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)結(jié)合混凝土材料在空氣當(dāng)中的作用引發(fā)的結(jié)構(gòu)承載力變化,考慮其結(jié)構(gòu)的時變性能[3]。因此,根據(jù)混凝土的碳化引發(fā)結(jié)構(gòu)退化的三個階段,如圖1所示,建立基于時變性能的建筑結(jié)構(gòu)抗力時變模型p。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)強度時變圖

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)開始受到時間的改變而發(fā)生碳化反應(yīng)時,鋼筋也逐漸銹蝕,并且當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后,混凝土表層將會逐漸開裂并脫落,最終混凝土保護層結(jié)構(gòu)整體失去效用,鋼筋繼續(xù)銹蝕。由模型可以看出,當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)開始碳化后,經(jīng)過一段時間未達(dá)到鋼筋表面時,離鋼筋表面還有碳化殘量仍存在一定距離時,此時鋼筋開始銹蝕。通過上述分析,得到如公式(1)所示的基于時變性能的建筑結(jié)構(gòu)抗力時變模型。

(1)

式中:δ(t)為鋼筋混凝土及結(jié)構(gòu)的銹蝕深度;δcr為混凝土開裂時間。除此之外,影響混凝體結(jié)構(gòu)發(fā)生碳化的主要因素包括材料本身的因素,例如水與石灰的比例、水泥的類型等,還包括外界環(huán)境因素影響,例如溫度、濕度、二氧化碳濃度等。因此,在針對具體高層民用建筑的施工條件,對其結(jié)構(gòu)抗震性還需要進(jìn)行具體分析。

1.2 高層民用建筑地基結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計

根據(jù)具體高層民用建筑工程施工過程中對抗震的要求,并結(jié)合上述構(gòu)建的建筑結(jié)構(gòu)抗力時變模型,對建筑地基結(jié)構(gòu)抗震性進(jìn)行設(shè)計。在一個建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計過程中,由于不同結(jié)構(gòu)的特點存在不同的抗震標(biāo)準(zhǔn),因此對于地基結(jié)構(gòu)的抗震處理方式也不同。為防止在后續(xù)施工和使用階段,地震時出現(xiàn)建筑晃動、沉降,甚至坍塌的問題,根據(jù)褥墊的設(shè)計方案可實現(xiàn)對其抗震效果的處理。將褥墊結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑的地下地帶以及持力位置,當(dāng)?shù)卣鹨l(fā)建筑晃動或沉降時,建筑地基結(jié)構(gòu)保護地帶上會附加較大的壓力,從而防止建筑中的地板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂,進(jìn)而抑制了二次振動或沉降問題的發(fā)生[4]。在制定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時,對于建筑現(xiàn)場存在天然的地基結(jié)構(gòu)的情況,可對其同樣進(jìn)行相應(yīng)的養(yǎng)護作用,從根本上提升建筑地基結(jié)構(gòu)的抗震性。

由于高層民用建筑大多存在地下室結(jié)構(gòu),因此針對這種建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,還應(yīng)當(dāng)考慮到發(fā)生地震時,地下水的運動情況。當(dāng)高層民用建筑所處地區(qū)處于降水豐富時期時,地下水位會呈現(xiàn)出快速上漲的趨勢。而此時,對于地下室地板的防水結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要。通常情況下,地下室在建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且基槽地膜結(jié)構(gòu)的形狀不一。因此,在對其外部輪廓進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)當(dāng)盡可能地簡潔,從而有利于后續(xù)建筑防水的順利進(jìn)行,通過良好的防水結(jié)構(gòu)還可進(jìn)一步提高建筑的抗震性。

1.3 高層民用建筑構(gòu)件抗震性設(shè)計

為了進(jìn)一步提高高層民用建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果,還可以通過增加鋼筋保護層的厚度,實現(xiàn)對建筑構(gòu)件抗震性的提升。在設(shè)計高層民用建筑結(jié)構(gòu)時,應(yīng)當(dāng)選用在構(gòu)件表面添加碳化或氯離子等采用入侵的鋼筋結(jié)構(gòu)。根據(jù)混凝土在實際建筑中的暴露情況,對混凝土的保護層厚度進(jìn)行設(shè)定。對于一般高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言,混凝土的厚度應(yīng)當(dāng)在C25～C30范圍內(nèi),并且其保護層的厚度應(yīng)當(dāng)在31.5 mm以上;對于靠近地下水位置或保護在海上的建筑構(gòu)件,其混凝土的保護層厚度應(yīng)當(dāng)在55.8 mm以下;對于周圍鋪設(shè)公路或橋梁護欄的建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu),其混凝土保護層厚度應(yīng)不小于55.5 mm;對于室內(nèi)的混凝土梁、柱、筋等構(gòu)件結(jié)構(gòu),其混凝土保護層厚度應(yīng)當(dāng)為35.5 mm,以此才能保證高層民用建筑結(jié)構(gòu)的抗震性。在對高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震方案進(jìn)行設(shè)計時,為了進(jìn)一步提高其抗震性,可在選擇混凝土材料時,清晰地給出混凝土構(gòu)件的使用時間,并嚴(yán)格按照材料的規(guī)范規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1.4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案抗震數(shù)值模擬

為保證在施工過程中,按照上述設(shè)計步驟得到的高層民用建筑結(jié)構(gòu)合理,并滿足抗震要求。在具體施工時,會擾動周圍的巖土結(jié)構(gòu),導(dǎo)致巖土結(jié)構(gòu)原本的應(yīng)力平衡遭到破壞,巖土應(yīng)力重新分布,會造成地層和建筑發(fā)生下沉[5]。當(dāng)下沉超出一定限度時,不僅會對建筑的抗震性造成影響,還會引發(fā)施工安全事故問題。因此,在施工前,還需要對方案內(nèi)容進(jìn)行抗震數(shù)值模擬。在建筑施工過程中,周圍巖體應(yīng)力是由自重應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力兩部分組成,在模擬過程中可以將兩部分應(yīng)力進(jìn)行簡化,將其簡化為垂直應(yīng)力或者水平應(yīng)力。利用有限元法將結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中的數(shù)值模擬分成兩部分,一是對施工過程數(shù)據(jù)模擬,二是對建筑抗震能力定量數(shù)據(jù)模擬。

對于施工過程中數(shù)值模擬主要是利用有限元軟件實現(xiàn)施工過程中,建筑機構(gòu)荷載的施加和釋放的循環(huán),每一次荷載循環(huán)代表一個施工步驟[6]。因此在數(shù)值模擬過程中對于荷載施加不能一次完成,所以本文結(jié)合階段式疊加方法,通過多個增量對施工過程中每個施工步驟荷載進(jìn)行增加。荷載的釋放也采用上述相同的方法。應(yīng)用有限元方法對施工過程數(shù)值模擬分析的過程中荷載的釋放與施加是通過相關(guān)系數(shù)來控制,其具體有限元表現(xiàn)形式可用如下公式表示:

Qv=n×(qm+K)·(Nc+Nd)

(2)

式中:Qv為混凝土結(jié)構(gòu)總剛度矩陣;n為施工過程中的具體步驟次數(shù);qm為建筑圍巖初始總剛度矩陣;K為剛度增量和減量;Nc為開挖過程中,釋放荷載的等效結(jié)點力;Nd為發(fā)生地震時,新增的自重等效結(jié)點力。利用上述有限元分析表達(dá)式,對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案抗震數(shù)值模擬,實現(xiàn)在施工前對方案可行性的驗證。

2 對比實驗

2.1 實驗條件

本文以某建筑工程的整體結(jié)構(gòu)體系舉例,驗證本文提出的基于時變性能的高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法與傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法的抗震強度。該高層民用建筑的抗震方案設(shè)計要求是對地上15層、地下2層建筑進(jìn)行設(shè)計。在對其抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時,為保證驗證結(jié)果的公正性,分別采用本文提出的抗震設(shè)計方法與傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法為該建筑工程提出抗震方案,保證兩種設(shè)計方案,建筑總高度為27.8 m,地下兩層每層高度為4.2 m,地上15層每層高度為5.2 m,建筑總面積為15 340.72 m2。規(guī)定該高層民用建筑的整體施工要求為:地下2層采用現(xiàn)澆混凝土材料,地上15層采用預(yù)制框架,將頂板作為該高層建筑上半部結(jié)構(gòu)的固定部分。將兩種設(shè)計方法得出的抗震方案分別輸入到仿真軟件當(dāng)中,構(gòu)建兩個規(guī)格完全相同的高層民用建筑模型。分別向兩個模型施加烈度為5度、6度、7度的地震情況,記錄兩種模型抗震情況。設(shè)定利用本文設(shè)計方法得到的建筑模型為實驗組,利用傳統(tǒng)設(shè)計方法得到的建筑模型為對照組。

2.2 實驗結(jié)果與分析

對比兩種模型在不同烈度下地震中的抗震情況,將實驗組與對照組水平方向上的晃動范圍進(jìn)行記錄,并繪制成如圖2所示的實驗結(jié)果對比圖。

圖2 實驗組與對照組地震時水平方向晃動范圍

從圖2中的兩條曲線對比可以看出,在對兩組建筑模型施加5度和6度的震動時,實驗組的水平方向晃動范圍明顯低于對照組。圖2中,對照組虛線部分表示為在實驗過程中,對照組建筑模型在受到烈度為7度的地震時,建筑模型整體出現(xiàn)了嚴(yán)重的坍塌現(xiàn)象,因此沒有有效的記錄結(jié)果。在實驗過程中,本文方法在建筑施工前設(shè)計了對結(jié)構(gòu)方案的數(shù)值模擬環(huán)節(jié),因此可以進(jìn)一步確保施工質(zhì)量。通過實驗證明,本文方法的抗震強度更高,按照本文方法設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量更高,抗震效果更明顯,在實際施工將會帶來更大的社會效益。

3 結(jié)束語

通過開展基于時變性能的高層民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法研究得出,建筑結(jié)構(gòu)在其全生命周期當(dāng)中,由于會受到外界環(huán)境因素以及自身因素的影響,結(jié)構(gòu)會發(fā)生退化現(xiàn)象。因此,在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)充分考慮到各建筑材料的時變性能,從而保障后續(xù)建筑施工及實際應(yīng)用的安全。