裝配式構件在鋼筋混凝土 高層建筑工程中的抗震設計研究

李明

摘 要：隨著社會經濟水平的不斷提高和建筑行業的不斷發展，我國逐漸加強了對鋼筋混凝土抗震設計，旨在提升高層建筑的穩定性、可靠性和安全性，從而為人們提供舒適、安全的居住環境。而裝配式構件的出現和應用為鋼筋混凝土抗震設計打下堅實的基礎。為了充分發揮和利用裝配式構件的應用優勢，保證高層建筑的安全性，現以某高層建筑工程為例，在裝配式構件的應用背景下，不斷提高鋼筋混凝土的抗震設計水平，并探討了最終抗震設計效果。結果表明，本次抗震設計具有非常高的可靠性和可行性，不僅降低了建筑結構的地震作用，還實現了對構件配筋的科學優化，為最大限度地減小預制鋼筋的連接數量，提升高層建筑抗震效果打下堅實的基礎。

關鍵詞：裝配式構件;鋼筋混凝土;高層建筑工程;抗震設計

中圖分類號：TU352.11? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0107-05

Research on Seismic Design of Prefabricated Components in Reinforced Concrete High-rise Buildings

Li Ming

（Shangluo University， Shangluo 726000， China ）

Abstract：With the continuous improvement of the social and economic level and the continuous development of the construction industry， my country has gradually strengthened the seismic design of reinforced concrete， aiming to improve the stability， reliability and safety of high-rise buildings， so as to provide people with comfortable and safe living environment. The emergence and application of fabricated components have laid a solid foundation for the seismic design of reinforced concrete. In order to give full play to and utilize the application advantages of prefabricated components and ensure the safety of high-rise buildings， taking a high-rise building project as an example， under the application background of prefabricated components， the seismic design level of reinforced concrete is continuously improved， and the final seismic design effect is discussed. The results show that this seismic design has very high reliability and feasibility， which not only reduces the seismic effect of the building structure， but also realizes the scientific optimization of the reinforcement of the components， in order to minimize the number of connections of prefabricated steel bars and improve the seismic effect of high-rise buildings， a solid foundation has been laid.

Key words：prefabricated components; reinforced concrete; high-rise building engineering; seismic design

最近幾年，隨著建筑抗震技術的不斷發展和普及，裝配式構件應運而生，該構件憑借著自身高準確性、強靈活性等特征，被廣泛地應用于鋼筋混凝土高層建筑工程抗震設計中，為保證高層建筑抗震設計的可靠性、安全性和經濟性發揮出重要作用。為了確保高層建筑在地震中擁有較高的抗震性能，在裝配式構件的應用背景下，如何對鋼筋混凝土高層建筑工程進行科學抗震設計是設計人員必須思考和解決的問題。

1 工程概況

某高層建筑工程在具體的施工中，主要利用裝配式構件，采用鋼筋混凝土建筑的方式，將預制率設置在50%以上，將裝配率設置在70%以上，該工程的結構形式設置為裝配式構件剪刀力墻結構，同時，還要將外圍護結構設置為幕墻結構[1]，當建筑樓層超過7層后，方可采用裝配式構件，高層建筑結構整體ETABS三維模型如圖1所示。此外，梁板在具體的運用中，均利用預制疊合技術，使得總建筑面積達到44000m2，其中地上樓層為19層，地下樓層為3層，高層建筑總高度達到了82.5m，該工程抗震度達到了7°[2]，此外，還將地震加速度、風壓分別設置為0.1g、0.50kN/m2。

2 高層建筑結構抗震設計

2.1 抗震設計目標

為了提高該工程抗震設計水平，設計人員要在裝配式構件的應用背景下，降低上部結構地震作用，同時，還要提高高層建筑結構的抗震性能[3]，以保證人們居住的可靠性和安全性。

2.2 抗震支座的布置

為了盡可能縮小高層建筑結構的扭轉量，設計人員需要在高層建筑結構的周圍布置含有鉛芯的抗震支座，然后，在綜合考慮抗風和抗震相關參數的基礎上，共設置76個抗震支座，其中，直徑為1000mm的鉛芯橡膠支座為4個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LRB1000”;直徑為1000mm的橡膠支座為4個，該橡膠支座簡稱為“LNR1000”;直徑為900mm的鉛芯橡膠支座為16個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LRB900”;直徑為800mm的鉛芯橡膠支座為14個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LRB800”;直徑為800mm的橡膠支座為4個，該鉛芯橡膠支座簡稱為“LNR800”;直徑為700mm的橡膠支座為34個[4]，該橡膠支座簡稱為“LNR700”。鉛芯橡膠抗震支座參數如表1所示。

2.3 抗風驗算

為了更好地驗證高層建筑結構的抗震性能，設計人員還要重視對抗震層的抗風驗算。首先，設計人員要嚴格按照抗風承載力設計相關標準和要求，將該工程的抗風裝置設置為鉛芯橡膠抗震支座，從而實現對該支座的水平屈服荷載力的有效控制和調整。同時，還要將風載分項系數設置為1.5，采用讀取PKPM的方式，將非抗震結果層剪力設置為4629.5kN。經過一系列的驗算，發現該工程所選用的鉛芯橡膠抗震支座符合抗震結構抗風驗算相關標準和要求。

2.4 抗震支座壓應力驗算

為了進一步提高高層建筑結構的抗震性能，設計人員還要加強對抗震支座壓應力驗算。首先，要在重力荷載下，控制和調整抗震支座的壓應力[5]，在此基礎上，利用裝配式構件，將抗震支座的編號設置為同一號碼，使得抗震支座的壓應力被控制在15MPa以下，以滿足高層建筑結構抗震設計標準和要求。

3 高層建筑結構抗震分析

3.1 模型建立與驗證

為了更好地驗證高層建筑結構的抗震性能，設計人員要重視對模型的構建和驗證。首先，利用ETABS軟件，針對抗震結構的特點，對高層建筑各個樓層進行隔板假定處理，同時，還要在裝配式構件的應用背景下，將鋼筋混凝土、框架柱和剪力墻進行有效地結合，使其結合為統一整體，從而實現對ETABS模型構建的精確性[6]。此外，還要在綜合考慮抗震結構和非抗震結構模型相關設計參數的基礎上，精確地計算和統計非抗震結構模型的質量、剪力和周期，從而獲得如表2所示的非抗震結構質量、周期對比。從表2中的數據可以看出，通過構建ETABS模型與PKPM模型，所獲得的非抗震結構質量和前三個階段的周期差均控制在10%以內，說明非抗震結構具有良好的吻合程度[7]。由此可見，通過利用ETABS軟件所構建的模型具有一定的可行性和有效性。

3.2 抗震結構模態分析

通過利用ETABS軟件，采用連接單元與縫單元相結合的方式，對抗震支座進行科學模擬，提高抗震結構模型的最終模擬效果，并獲得如表3所示的隔震結構與非隔震結構模態對比結果，從表中的數據可以看出，通過新增鉛芯橡膠抗震支座[8]，可以最大限度地延長高層建筑結構自振周期，使得地震響應速度降到最低，以達到提高高層建筑結構抗震性能的目的。

3.3 地震波選取

為了保證高層建筑結構抗震設計水平，設計人員在選取地震波的過程中，分別選取兩條人工波和五條天然波，在此基礎上，采用時程分析的方式，對非抗震結構進行減震處理，并得到高層建筑結構基座剪力，然后，嚴格按照地震動時程相關標準和要求，實現對底部剪力的科學控制和調整，并匯總和整理地震時程曲線相關數據，為優化高層建筑結構抗震性能提供重要的依據和參考。此外，還要針對振型分解需求，確保高層建筑結構底部剪力符合相關規范和要求，為進一步提高高層建筑結構的抗震性能產生積極的影響[9]。

3.4 樓層剪力

在進行高層建筑結構抗震設計的過程中，設計人員要重視對樓層剪力的控制，確保該結構抗震防裂強度達到七度，然后，在降低設防地震幅度的前提下，從非抗震結構和抗震結構兩個方面入手，盡可能降低地震影響程度，為進一步提高高層建筑結構的抗震性能打下堅實的基礎[10]。此外，設計人員還要沿著水平方向，根據抗震設計相關標準和要求，對剪力和浮力進行調整和控制，將地震波降到最低，從而實現對高層建筑結構抗震的科學設計，最后，還要重視對高層建筑結構水平減震系數的控制，確保水平減震系數與樓層剪力相吻合，避免兩者數值相差過大而影響高層建筑結構最終抗震設計效率和效果。與非抗震結構相比，抗震結構所獲得的水平減震系數較高，由此可見，通過利用鉛芯橡膠抗震支座，對高層建筑結構進行抗震設計，不僅降低了上部結構的地震效果，還最大限度地提高了上部結構的抗震性能，為保證高層建筑的穩定性、可靠性和安全性，保證人們居住安全打下堅實的基礎。

3.5 抗震層位移

設計人員在進行高層建筑結構抗震設計的過程中，要重視對抗震層位移的控制。首先，要將抗震設防烈度設置為7°，然后，借助地震作用，將各個抗震支座進行有效地結合，使其成為一個統一整體，便于設計人員的集中化管理和使用，同時，還要嚴格按照抗震層位移相關標準和要求，對抗震支座水平位移量進行科學控制和調整，避免因抗震支座水平位移出現偏差而嚴重影響高層建筑結構的抗震性能，進而為居民造成不必要的麻煩。

3.5.1 抗震支座水平位移驗算

為了更好地驗證高層建筑結構抗震設計操作的有效性和可靠性，設計人員要針對該工程的施工需求，利用多種類型的抗震支座，實現對鉛芯橡膠抗震支座直徑的科學控制和調整，在此基礎上，針對橡膠層的實際厚度，根據高層建筑結構抗震設計相關標準和要求，精確計算抗震支座的水平位移量，然后，在地震的作用下，對抗震支座的最大水平位移量進行計算和統計，從而保證位移量計算結果的真實性、準確性和完整性，從而進一步提高高層建筑結構抗震設計的規范性、標準性和科學性。

3.5.2 抗震縫確定

在節能高層建筑結構抗震設計的過程中，設計人員要在裝配式構件的應用背景下，完成對抗震縫的精確計算和界定。首先，要針對抗震結構的特點，在地震的作用和影響下，將抗震支座水平位移量設置為140.9mm，同時，還要將抗震縫設置為17.89mm，將該工程的抗震縫寬度設置為250mm，為后期更好地控制高層建筑結構的抗震性能提供重要的依據和參考。

3.6 抗震支座拉應力驗算

為了保證對高層建筑結構抗震設計水平，保證高層建筑的安全性，設計人員在裝配式構件的應用背景下，要重視對抗震支座拉應力的驗算，確保抗震支座拉應力符合抗震設計相關標準和要求。首先，設計人員要在綜合考慮鉛芯橡膠抗震支座特性的基礎上，盡可能提高該支座的拉壓平衡性，確保在驗算操作規范的情況下，采用構建拉壓剛度模型的方式，盡可能地提高鉛芯橡膠抗震支座的剛度和硬度，同時，還要在地震的作用和影響下，對各個鉛芯橡膠抗震支座的最大拉應力進行一一檢驗，確保該支座的拉應力符合抗震設計相關規范和要求，只有這樣，才能進一步提高鉛芯橡膠抗震支座的最大承載力，避免因該支座承載力過小而降低高層建筑結構抗震性能。同時，為了保證抗震支座拉應力最終計算結果的真實性、準確性和完整性，設計人員還要通過利用裝配式構件，針對鋼筋混凝土的使用特點，實現對高層建筑結構的抗震性能不斷修改、優化和完善，為進一步提高高層建筑結構的抗震效率和效果，保證居民的財產安全和人身安全發揮出重要作用。另外，還要嚴格按照相關標準和要求，將鉛芯橡膠抗震支座拉應力設置在1MPa以下，從而最大限度地提高高層建筑結構的抗震性能。

3.7 高層建筑結構抗震分析模型構建

在裝配式構件的應用背景下，為了進一步提高高層建筑結構的抗震性能，設計人員在進行抗震設計的過程中，要重視對抗震分析模型的構建和應用，確保抗震設計工作有據可依，有章可循。首先，要利用裝配式構件，根據高層建筑工程施工需求，盡可能提高各個樓面的變形量，同時，還要采用擴大樓面剛度的方式，將各個樓面進行有效地結合，不斷地擴大樓面的規模和數量，為后期更好地開展抗震設計工作打下堅實的基礎。同時，還要采用水平振動的方式，利用地震的作用和影響，確保各個樓層蓋能夠沿著水平方向進行振動，并保證高層建筑結構不會出現變形現象，從而進一步提高高層建筑結構的抗震性能。此外，設計人員要根據抗震設計需求，在裝配式構件的應用背景下，盡可能提高高層建筑結構穩固性和堅固性，避免因高層建筑結構不穩定埋下一系列的安全隱患。此外，在構建高層建筑結構抗震分析模型的過程中，設計人員還要利用自有振動方程，精確地計算和統計高層建筑結構的質點數、自由度和恢復力。其中，在計算質點數的過程中，設計人員要采用串聯質點的方式，將所有豎桿上的質點進行有效地連接，在此基礎上，針對房屋樓層數，精確計算和統計高層建筑結構的質點數量。在計算高層建筑結構自由度的過程中，設計人員要采用構建二維空間的方式，將多個質點進行串聯處理，然后，采用自由振動的方式，將所有質點獨立移動到特定的位置，然后，計算出各個質點系的自由度，為后期更好地優化抗震設計流程提供重要的依據和參考。在計算高層建筑結構恢復力的過程中，設計人員要針對高層建筑結構的水平針對狀態，根據各個質點對應的恢復力，采用側移的方式，將各個質點移動到相應的區域，然后，利用水平桿對質點的影響，在保證豎桿件和樓蓋不變形的前提下，完成對高層建筑結構恢復力的科學計算。最后，為了進一步地提高高層建筑結構抗震分析模型的構建水平，設計人員還要借助高層建筑的剛度矩陣，采用串聯多個質點的方式，將各個質點進行有效地連接，確保豎向桿與水平桿能夠沿著質點的方向進行移動，以實現對高層建筑結構抗震分析模型的科學建構和應用，只有這樣，才能充分發揮和利用裝配式構件的應用優勢，實現高層建筑結構抗震性能的全面提高。

4 結語

綜上所述，通過對鋼筋混凝土高層建筑工程進行抗震結構和非抗震結構設計，對高層建筑的抗震性能進行驗算和分析，得出以下結論：

（1）與非抗震結構設計相比，抗震結構設計在前3個階段中，可以將自振周期最小擴大倍數控制在2倍之內，不僅有效地延長了抗震結構使用壽命，還降低了上部結構的地震響應程度。

（2）當高層建筑在水平向減震系數被控制在0.512以下時，抗震結構的地震影響系數達到了0.048，為降低上部結構的地震效應，提高上部結構的抗震效果提供有力的保障。

（3）通過采用重力荷載的方式，可以實現對抗震支座壓應力的有效控制和調整，確保在地震作用下，抗震支座的水平位移滿足相關標準和要求。由此可見，在裝配式構件的應用背景下，高層建筑結構抗震性能得到有效提高，為保證人們居住的安全性和可靠性提供有力的保障。

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