高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法及結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新研究

王成磊

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

高層建筑的地理位置，以及不同建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法會對建筑抗震能力、震后修復(fù)效果等造成直接影響[1，2]。本文主要從高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、高強高性能混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)、高性能裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)3 個方面展開論述。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計簡述

2.1 設(shè)計流程

抗震設(shè)計是指在建筑設(shè)計過程中從整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的剛度、強度、延度、軸壓比等方面的設(shè)計情況，制訂最科學(xué)、有效的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方案。受2008 年汶川地震影響，我國越來越重視建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，并對GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[2]、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]等標(biāo)準(zhǔn)進行了調(diào)整與修改，進一步細(xì)化、明確了建筑鋼結(jié)構(gòu)阻尼比、承載力抗震調(diào)整系數(shù)、隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)等指標(biāo)，對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有了更明確的規(guī)范與要求。因而在現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，需根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)受力分析、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系等制訂具體的抗震設(shè)計方案。基于預(yù)設(shè)屈服模式，從結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性著手，進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，設(shè)計流程如圖1 所示。另外，還要根據(jù)地震強度對建筑結(jié)構(gòu)的不同影響，使建筑抗震設(shè)計達(dá)到小震不壞、中震可修、大震不倒的基本目標(biāo)，根據(jù)可屈服構(gòu)件剛度折減系數(shù)、彈性構(gòu)件、阻尼等建筑材料、結(jié)構(gòu)方面的多種因素，制訂具體設(shè)計方案[4-6]。

圖1 基于預(yù)設(shè)屈服模式的設(shè)計流程

2.2 建筑結(jié)構(gòu)體系參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上文內(nèi)容可知，剛度折減系數(shù)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中尤為重要，不同結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度折減系數(shù)有所不同，對建筑投入使用后的承重能力、抗震能力均有直接影響。常見地鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量折減系數(shù)與剛度折減系數(shù)見表1、表2。在進行高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，需參考各類建筑結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，對建筑設(shè)計方案的承重、抗震能力進行有效計算，以確保建筑投入使用后，能達(dá)預(yù)期承重、抗震效果。

表1 溫度作用下混凝土彈性模量的折減系數(shù)

表2 預(yù)應(yīng)力度和剛度折減系數(shù)

3 高強高性能混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)

混凝土是當(dāng)前常見的建筑材料，主要是指利用凝膠材料將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于各類建筑施工中。以下主要對高強高性能混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計進行論述。

3.1 整體設(shè)計思路

就傳統(tǒng)的混凝土設(shè)計構(gòu)件而言，隨著人們對建筑抗震要求的提升，以及相關(guān)指標(biāo)要求的進一步明確與細(xì)化，傳統(tǒng)的混凝土設(shè)計構(gòu)件已無法滿足相關(guān)規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)的變形能力和高強材料延性的要求。因而，本文針對此類問題提出以下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計思路：

1）在混凝土構(gòu)件設(shè)計中加入“鋼”材料，利用高強高性能混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系提升其變形能力和構(gòu)件的延性。與其他材料相比，鋼筋與混凝土線膨脹系數(shù)更為接近，兩種材質(zhì)間具有良好的黏結(jié)力，能有效貼合，且混凝土中氫氧化鈣能為此組合材質(zhì)提供良好的堿性環(huán)境，利于鋼筋表面鈣化保護膜的形成，對高強高性能混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系有保護作用[7，8]。同時，鋼材的抗拉強度較高，普遍在200 MPa 以上，以高強高性能混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)的混凝土-鋼組合梁已成為當(dāng)前應(yīng)用范圍較廣的一種新型梁，此結(jié)構(gòu)設(shè)計方式在有效承擔(dān)梁底拉力的同時，能為梁部及以上結(jié)構(gòu)提供支撐。且基于鋼的材料優(yōu)勢，在當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多將高強高性能混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系作為建筑結(jié)構(gòu)的承重骨架，并作為結(jié)構(gòu)體系中主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，有效承受地震作用、風(fēng)荷載產(chǎn)生的大部分水平荷載及外框架的豎向荷載。綜上，同傳統(tǒng)混凝土相比，高強高性能混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系能進一步提升其整體構(gòu)建抗震能力[9，10]。

2）在傳統(tǒng)的混凝土構(gòu)件中加入消能減震裝置，如在結(jié)構(gòu)物節(jié)點或連接處裝設(shè)阻尼器等，可以增加構(gòu)件長細(xì)比和彈性極限應(yīng)變量，及增強結(jié)構(gòu)的彈性設(shè)計，將地震對建筑的作用力轉(zhuǎn)移至阻尼器等消能減震裝置中，通過減震裝置降低地震對建筑的影響，削弱地震對建筑主體造成的結(jié)構(gòu)損傷[11，12]。

3.2 結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計

在不同的建筑結(jié)構(gòu)中，需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)不同點的承重需求、尺寸等制訂不同設(shè)計方案。如某建筑長、寬均為44 m，核心筒平面尺寸為22 m×20 m，首層層高5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2 m，針對此類鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計，需先用SATWE軟件進行小震反應(yīng)譜分析，將水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16、整體阻尼比0.05、特征周期Tg=0.45、周期折減系數(shù)0.85、一級框架抗震、特一級剪力墻抗震作為基本參數(shù)，計算不同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力，分析其結(jié)構(gòu)空間狀態(tài)，最終選擇抗震能力最強的結(jié)構(gòu)，然后進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間。再用類似方法進行中震反應(yīng)譜分析、大震反應(yīng)譜分析，同時，模擬大震下的彈塑性動力時程分析，分析評估相關(guān)結(jié)構(gòu)體系和不同阻尼器的加入，是否能夠達(dá)到大震不倒的設(shè)計目的，進一步提升高層建筑設(shè)計的安全性，提高高層建筑的抗震能力。

4 高性能裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)

隨著建筑材料、工藝的不斷革新與發(fā)展，以及我國綠色生態(tài)發(fā)展理念的推廣應(yīng)用，高性能裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)開始被廣泛應(yīng)用到當(dāng)前高層建筑設(shè)計中。因此，下文主要對高性能裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計思路、大變形能力節(jié)點、結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計進行介紹。

4.1 整體設(shè)計思路

當(dāng)前我國較常見的裝配式結(jié)構(gòu)以裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。與現(xiàn)澆施工工法相比，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以按照施工工藝連續(xù)完成多個或全部工序，不僅能減少施工現(xiàn)場所需機械設(shè)備的種類和數(shù)量，還可以減少施工工序銜接造成的施工停滯時間、施工人數(shù)、物料消耗、環(huán)境污染、建筑垃圾等[13，14]。同時，在抗震方面，通過無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點、黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點、后澆整體式節(jié)點等措施，能夠有效銜接、固定裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點，提高建筑的抗震性能。因而在高性能裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需重視節(jié)點銜接固定方面的設(shè)計，選擇科學(xué)適宜的節(jié)點銜接方式，有效提升高層建筑的抗震能力。

4.2 大變形能力節(jié)點

根據(jù)上文可知，裝配式結(jié)構(gòu)間節(jié)點的有效銜接與固定對提升高層建筑整體抗震能力有重要意義。所以，在節(jié)點銜接方法設(shè)計與選取的過程中，使建筑結(jié)構(gòu)在遇到大地震后，阻尼器充分發(fā)揮耗能作用的條件下，結(jié)構(gòu)節(jié)點不會出現(xiàn)較大的變形與損壞，且需具有震后易修復(fù)的優(yōu)勢，以便于對建筑體系進行震后修復(fù)，保障整個建筑體系的安全性。在常見框架間節(jié)點銜接、固定方式中，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點主要是指預(yù)應(yīng)力筋在節(jié)點內(nèi)與節(jié)點兩邊一定范圍內(nèi)與混凝土無黏結(jié)，優(yōu)勢是在大變形后仍具有較好的彈性，且強度、剛度衰減較小，殘余變形較小，拼接節(jié)點耗能也較小。黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點與無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點相反，節(jié)點同混凝土有黏結(jié)，優(yōu)勢在于延性和變形恢復(fù)能力更優(yōu)。后澆整體式節(jié)點能進一步提升節(jié)點抗剪強度，對提升節(jié)點強度、改善耗能、提升變形恢復(fù)能力均有重要作用，有助于推遲破壞發(fā)生，提升節(jié)點承載性能，若遇大震，有助于延長建筑內(nèi)人們的逃生時間。隨著工藝的發(fā)展，同濟大學(xué)趙斌等人于2004 年提出螺栓連接節(jié)點這一連接方式，主要適用于梁端采取設(shè)置加寬擴大段、預(yù)埋鋼套管等措施，在節(jié)點連接過程中，用高強螺栓進行無黏結(jié)式連接與固定，此方式具有耗能低、節(jié)點鋼化退化慢、變形能力好等優(yōu)勢。所以，在實際設(shè)計過程中，需要根據(jù)高層建筑的地理位置、施工成本、高層建筑設(shè)計要求等，選取更科學(xué)、適宜的節(jié)點連接方式，以保障高層建筑抗震能力。

4.3 結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計

在裝配式結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計中，如對層高4.2 m、標(biāo)準(zhǔn)柱跨為8.4 m 的主梁大板，C80 框架柱混凝土、C40 框架梁和樓板混凝土、HRB500 mm 鋼筋、150 mm 折算厚度的中空混凝土樓板所制框架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，需參考節(jié)點抗彎剛度，根據(jù)節(jié)點抗彎剛度計算公式進行節(jié)點抗彎剛度評估分析，并調(diào)解剪切阻尼器屈服強度，同樣需要在基于預(yù)設(shè)屈服模式下進行抗震設(shè)計。同時，在保障抗震性能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)空間設(shè)計，以減少用材，或通過調(diào)節(jié)建筑用材來提升裝配式結(jié)構(gòu)的綠色環(huán)保性。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范化的增強以及相關(guān)強制性條文的出臺，高層建筑在設(shè)計、修建過程中，對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求也越來越高。根據(jù)本文論述可知，我國當(dāng)前多基于預(yù)設(shè)屈服模式進行抗震性能化設(shè)計，根據(jù)建筑用材、建筑結(jié)構(gòu)進行不同地震強度下的建筑抗震能力評估，以分析不同建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計安全性、有效性。同時，通過高強高性能混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系、消能減震裝置及裝配式結(jié)構(gòu)的有效運用，能夠進一步提升高層建筑的抗震性能，同時，減少廢鋼筋、廢棄混凝土消耗量，遵循可持續(xù)性發(fā)展原則，達(dá)到綠色施工的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)。