建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)研究

文／嚴(yán)銳 安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站有限公司 安徽合肥 230088

引言：

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程腳步逐漸加快，城市建筑工程項(xiàng)目日益增多，在此情況之下，高層建筑逐漸出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于城市土地面積的有效利用，但隨著建筑層高的不斷增加，對(duì)于抗震設(shè)計(jì)方面的要求也在持續(xù)提升。作為影響建筑使用安全的重要因素，加強(qiáng)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)的研究和分析是十分有必要的。

1.建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)概述

地震作為一種不可預(yù)測(cè)性的自然災(zāi)害，有著極強(qiáng)的破壞能力。在實(shí)際展開建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要充分考慮建筑可能遭遇地震情況的影響，采用超越常規(guī)設(shè)計(jì)限值的方式，以此確保在地震作用下，建筑功能仍然能夠得到有效發(fā)揮，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可靠性，符合相關(guān)安全要求，最大程度上減少地震作用對(duì)于建筑以及人員生命安全的影響，降低地震的破壞程度，提升建筑抗災(zāi)能力[1]。

2.工程概況

案例項(xiàng)目為某城市配套建筑工程項(xiàng)目，主要包括高層住宅、小學(xué)以及幼兒園，總建筑面積為512149.2 m2。此次針對(duì)其中住宅部分進(jìn)行分析和探討。該項(xiàng)目主要包括H型和M 型兩種住宅建筑，詳細(xì)情況尺寸如表1 所示。根據(jù)前期勘探，案例項(xiàng)目所處地區(qū)屬于丘陵地帶，地形地勢(shì)起伏較大，并且建筑范圍內(nèi)存在地形突變情況。根據(jù)相關(guān)資料顯示，案例項(xiàng)目擬建場(chǎng)地以及附近無區(qū)域性斷裂情況。擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)由人工堆積而成，表層土為素填土，其下為粉質(zhì)粘性土，工程項(xiàng)目基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁。

表1 建筑規(guī)格

3.抗震超限設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）場(chǎng)地選擇。選擇有利于抗震的場(chǎng)地，避免地震時(shí)可能出現(xiàn)的山體滑坡、地面塌陷等不良地質(zhì)條件[2]。（2）結(jié)構(gòu)體系選擇。選擇具有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)體系，如框架-核心筒體系、剪力墻體系等。同時(shí)要合理分配結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。（3）構(gòu)件設(shè)計(jì)。對(duì)于關(guān)鍵部位和構(gòu)件，如框架梁、柱、剪力墻等，應(yīng)采取加強(qiáng)措施，提高其抗震能力。同時(shí)要避免出現(xiàn)短柱、短墻等薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于構(gòu)件材料選擇，以及截面尺寸的設(shè)計(jì)，以提高構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗壓等能力，全面保障構(gòu)件穩(wěn)定性以及可靠性。（4）阻尼設(shè)計(jì)。采用適當(dāng)?shù)淖枘嵩O(shè)計(jì)，以減小地震作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)和能量傳遞。例如，添加阻尼器或采用減震材料等，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。此外，還需要優(yōu)化阻尼設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制。（5）施工要求。在施工過程中，應(yīng)采取有效的措施，保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。例如，合理安排施工順序、加強(qiáng)施工質(zhì)量控制等[3]。

4.結(jié)構(gòu)體系與布置

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于建筑功能、使用安全等有著直接影響，科學(xué)展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)建筑受力特征分析，不僅能夠保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提升延性變形能力，而且還能夠確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能達(dá)到目標(biāo)要求，延長(zhǎng)建筑使用壽命。

案例工程項(xiàng)目采用的是剪力墻結(jié)構(gòu)，樓蓋體系選用的是現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)嵌固端所在樓層的結(jié)構(gòu)板厚度在180mm 以上，其余各層樓板厚度在100～350mm 之間。

為保障結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及合理性，需要結(jié)合建筑情況，合理選擇嵌固層。結(jié)合案例項(xiàng)目實(shí)際情況，最終將室外地面以下一層作為嵌固層。在綜合考慮建筑的位移、層高以及壓軸比等相關(guān)指標(biāo)后，確定了案例項(xiàng)目建筑指標(biāo)數(shù)據(jù)。其中H 型住宅樓剪力墻厚度在200～400mm 之間，M 型住宅樓剪力墻厚度在200～300mm 之間，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度詳細(xì)情況如表2所示。

表2 剪力墻厚度以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)

5.結(jié)構(gòu)超限判別

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，對(duì)超限高層建筑工程抗震設(shè)防展開專項(xiàng)審查，案例項(xiàng)目為7 度抗震設(shè)防烈度。首先，需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型，審查相應(yīng)結(jié)構(gòu)的高度。其次，當(dāng)建筑不規(guī)則程度超過下述規(guī)則其中三項(xiàng)，則不論高度是否超過限定要求，都需要將其視為超限情況。

（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，在建筑物結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則通常是指樓板的扭轉(zhuǎn)程度超過了規(guī)定的限制。當(dāng)偶然偏心扭轉(zhuǎn)位移比超過1.2，則視為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。通過對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判別，可以促使設(shè)計(jì)人員對(duì)樓板的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，降低扭轉(zhuǎn)程度，確保建筑物的穩(wěn)定。

（2）凹凸不規(guī)則主要指建筑物的立面、平面或空間造型存在較大的凹凸變化，凹凸不規(guī)則的判別有助于發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問題，提醒設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中注意合理分布荷載，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）組合平面，在判別組合平面時(shí)，需要關(guān)注樓層間剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面的變化，以確保建筑物在復(fù)雜受力條件下的安全性。

（4）樓板不連續(xù)，樓板不連續(xù)是指建筑物中樓板在某個(gè)方向上的連接性不足，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性減弱。樓板不連續(xù)的出現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。在判別樓板不連續(xù)時(shí)，需要關(guān)注樓板的連接方式、材料性能和施工質(zhì)量等方面，以確保樓板的穩(wěn)定性和整體性。

（5）剛度突變，剛度突變是指建筑物在某個(gè)部位的剛度突然發(fā)生變化，可能導(dǎo)致應(yīng)力分布不均和結(jié)構(gòu)變形。在判別剛度突變時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注建筑物的剛度分布、材料性能和結(jié)構(gòu)變形等方面，以確保建筑物的安全性。當(dāng)相鄰層剛度變化在70%以上，或者連續(xù)三層剛度變化在80%以上時(shí)，也可認(rèn)定為剛度突變。

（6）尺寸突變，尺寸突變是指建筑物在某個(gè)部位的尺寸突然發(fā)生變化，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的改變。尺寸突變可能出現(xiàn)在建筑物的平面、立面和空間等方面。在判別尺寸突變時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮尺寸變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力、剛度和穩(wěn)定性的影響，以確保建筑物的安全性和穩(wěn)定性[4]。

結(jié)合上述分析，以及案例項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)超限情況進(jìn)行判別。發(fā)現(xiàn)H 和M 型高層住宅建筑的超限情況如下：（1）H 型建筑，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變超限的情況；（2）M 型建筑，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、組合平面、樓板不連續(xù)，以及尺寸突變超限情況。因此，需要針對(duì)案例項(xiàng)目中，H1～H4 以及M1～M6 住宅建筑工程，分別展開抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

6.建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

6.1 抗震設(shè)防要求

根據(jù)案例工程項(xiàng)目實(shí)際情況，在實(shí)際展開抗震設(shè)防超限設(shè)計(jì)之前，需要明確抗震設(shè)防的基本要求以及相關(guān)性能目標(biāo)。根據(jù)相關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可知，在實(shí)際展開建筑設(shè)計(jì)的過程中，抗震設(shè)防需要滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。在多遇地震的情況下，建筑即便不進(jìn)行維修，也可保障使用安全；在設(shè)防地震的情況下，應(yīng)確保部件出現(xiàn)細(xì)小裂縫或者輕微損壞時(shí)，在經(jīng)過修整之后，仍可正常使用；在罕遇地震的情況下，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)明顯損壞，但建筑不會(huì)倒塌，即便出現(xiàn)人員受傷事故，但不致命。案例工程項(xiàng)目中，高層住宅抗震等級(jí)均為二級(jí)。

在充分考量案例項(xiàng)目實(shí)際情況，以及工程特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)要求等方面因素后，明確各個(gè)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，具體要求如下：（1）剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設(shè)防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（2）非加強(qiáng)區(qū)剪力墻，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設(shè)防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（3）剪力墻連梁，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設(shè)防地震中度損壞，罕遇地震損壞嚴(yán)重；（4）框架柱，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設(shè)防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（5）框架梁，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設(shè)防地震中度損壞，罕遇地震損壞較嚴(yán)重；（6）薄弱部位樓板，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設(shè)防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（7）其余部位樓板，要求在多遇地震的情況下，無損壞情況，設(shè)防地震情況下，損壞程度適中，在面對(duì)罕見地震時(shí)，可出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損壞。

6.2 小震彈性分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求可知，在多遇地震的情況下，需要采用彈性時(shí)程分析的方式，展開補(bǔ)充計(jì)算，為超限處理和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)此，在實(shí)際計(jì)算分析的過程中，需要著重加強(qiáng)對(duì)于雙向地震、偶然偏心等情況的分析和模擬。基于此，在實(shí)際展開計(jì)算的過程中，采用SATWE和EYABS 軟件，針對(duì)水平地震、風(fēng)荷載以及橫活荷載等展開計(jì)算分析。案例項(xiàng)目底面粗糙度類型為B，體型系數(shù)為1.4，建立強(qiáng)抗震等級(jí)為二級(jí)，考慮偶然偏心，經(jīng)過計(jì)算分析可知，案例項(xiàng)目建筑體型系數(shù)為1.4，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，最大影響力0.08，除此之外，還包括梁端負(fù)彎矩調(diào)整系數(shù)、梁設(shè)計(jì)彎矩放大系數(shù)、連梁剛度這間洗漱、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、恒荷載分項(xiàng)系數(shù)等。

經(jīng)過模擬計(jì)算分析，得到M1 棟高層建筑的相關(guān)結(jié)論如下：（1）M1 棟高層建筑具備良好的扭轉(zhuǎn)剛度以及抗扭能力；（2）在風(fēng)荷載以及地震的作用下，計(jì)算結(jié)果限制，M1 棟高層建筑的層間位移角情況符合要求；（3）經(jīng)過對(duì)各層地震剪力的調(diào)整，建筑剪重比滿足規(guī)范要求；（4）偶然偏心作用下，經(jīng)過軟件模擬計(jì)算分析可知，建筑結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.26 和1.319，雖然超過了1.2，仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在該樓層平均值的1.4 倍以內(nèi)；（5）側(cè)向剛度計(jì)算方面，計(jì)算得到比值在1.24～1.36 之間，滿足規(guī)范要求的0.9；（6）在均勻性分析方面，經(jīng)計(jì)算，樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力，是上層的80%，這表明M1 棟高層建筑整體結(jié)構(gòu)無薄弱層，符合建筑均勻性要求；（7）壓軸比方面，剪力墻最大壓軸比在0.5 以下，符合規(guī)范限值要求。

案例項(xiàng)目建筑高度超過了100m，屬于超高層建筑，根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，應(yīng)展開彈性時(shí)程分析，作為補(bǔ)充計(jì)算。在此過程中，按照超越概率50年內(nèi)63.2%，阻尼比為0.05取值進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及相關(guān)曲線圖可知，案例項(xiàng)目建筑的時(shí)程分析結(jié)果符合規(guī)范要求。

6.3 中震彈性分析

結(jié)合案例特點(diǎn)，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)中震情況下的建筑結(jié)構(gòu)中的主要抗側(cè)力構(gòu)件展開研究。此次計(jì)算的主要內(nèi)容包括地震作用影響系數(shù)、特征周期等，詳細(xì)參數(shù)如表3 所示。

表3 中震計(jì)算參數(shù)

中震作用下，按照0 度和90 度方向要求，分別展開構(gòu)件承載力的驗(yàn)算分析，計(jì)算軟件分別為PKPM 和ETABS。0 度情況下，中震作用最大層間位移分別為1/563（15 層）和1/491（15 層），地面以上基底剪力分別為14219.84 和12830kN，首層基底彎矩為768687.62 kN·m 和728500kN·m；90 度情況下，中震作用最大層間位移分別為1/539（21 層）和1/517（20 層），地面以上基底剪力分別為15405.47 和13230kN，首層基底彎矩為749590.50kN·m 和726400kN·m。

經(jīng)過對(duì)M1 棟高層住宅樓內(nèi)部受力情況的分析，最終確定樓板配筋率應(yīng)控制為0.33%，才能夠有效滿足中震拉力要求，保障建筑抗剪承載力達(dá)標(biāo)。為保障建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，案例項(xiàng)目中確定雙向配筋率為0.5%，以此降低其他因素影響下，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定情況發(fā)生的概率，進(jìn)一步確保配筋合理，建筑抗震能力可靠、要求達(dá)標(biāo)[5]。

6.4 大震靜力彈塑性分析

為確保案例項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)，在大震作用下，不發(fā)生倒塌，在實(shí)際展開抗震超限設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)大震精力彈塑性進(jìn)行分析，采用軟件程序，展開模擬。此次模擬計(jì)算的軟件為pushover，該軟件的主要運(yùn)用優(yōu)勢(shì)在于，能夠?qū)崿F(xiàn)在多余地震下的彈性設(shè)計(jì)校核，同時(shí)也可模擬罕遇地震情況，幫助設(shè)計(jì)人員，明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的薄弱環(huán)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效優(yōu)化，和針對(duì)性加強(qiáng)，確保建筑功能、可靠性等達(dá)到規(guī)范要求和指定標(biāo)準(zhǔn)。

此次，模擬計(jì)算分析，需要分別進(jìn)行非線性模擬和側(cè)向力分布模擬，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于罕遇地震情況以及慣性力作用的有效模擬和分析。經(jīng)過模擬分析，發(fā)現(xiàn)罕遇地震作用下，案例項(xiàng)目建筑無論是在X 軸方向還是在Y 軸方向上，其性能點(diǎn)處最大層間彈塑性位移角情況，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠有效保障建筑使用者的生命安全。此外，在模擬分析的過程中，地震作用加載初期，建筑當(dāng)中的少量連梁會(huì)呈現(xiàn)出損壞情況，之后少數(shù)框架梁會(huì)體現(xiàn)出塑性鉸，墻體出現(xiàn)小范圍損傷情況，但并不會(huì)出現(xiàn)損傷持續(xù)擴(kuò)大發(fā)展的問題，能夠有效滿足建筑性能要求，可達(dá)到建筑建設(shè)目標(biāo)[6]。

6.5 超限處理措施

結(jié)合上述分析可知，在實(shí)際展開建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)的過程中，為達(dá)到良好的抗震效果，以及抗震設(shè)防要求，需要結(jié)合模擬計(jì)算以及相關(guān)分析結(jié)果，針對(duì)建筑薄弱部位、重要部位進(jìn)行合理優(yōu)化和加強(qiáng)設(shè)計(jì)。具體抗震超限設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

第一，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)案例項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)剪力墻墻肢壓軸比仍有一定優(yōu)化空間，為進(jìn)一步保障建筑抗震效果，需要將H1～H4 棟住宅建筑的壓軸比孔子在0.5以內(nèi)，M1～M6 的壓軸比控制在0.6 以內(nèi)。第二，加強(qiáng)對(duì)于剪力墻以及框架柱的設(shè)計(jì)，優(yōu)化提升正截面承載能力，確保其能夠滿足中震彈性相關(guān)要求。第三，結(jié)合案例項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及功能需求，要求加強(qiáng)對(duì)于墻身水平以及豎向鋼筋分布情況，以及配筋率的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)底部配筋，確保至少為0.4%。第四，合理提高薄弱部位的樓板厚度，采取雙層雙向配筋模式，確保單層配筋率至少為0.25%。第五，加強(qiáng)中震彈性設(shè)計(jì)優(yōu)化，確保薄弱部位樓板的抗剪性能以及承載力等符合標(biāo)準(zhǔn)要求。第六，加強(qiáng)對(duì)于錯(cuò)層部位剪力墻厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其至少為300mm，配筋率在0.4%以上。同時(shí)加強(qiáng)連梁箍筋配筋率控制，確保其在0.5%以上。

經(jīng)過上述計(jì)算分析，以及建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，有效加強(qiáng)了建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)，確保建筑結(jié)構(gòu)在小震、中震情況下符合彈性要求，大震情況下也能夠有效保障建筑內(nèi)部使用人員的生命安全。根據(jù)驗(yàn)算分析結(jié)果可知，案例項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求，相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)科學(xué)合理。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)薄弱部位，采取有效加強(qiáng)措施，能夠進(jìn)一步保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量效果，確保案例超限工程結(jié)構(gòu)安全可靠。

結(jié)語：

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)對(duì)于建筑工程建設(shè)質(zhì)量，使用安全等有著直接的影響，是實(shí)際展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的重要內(nèi)容。在實(shí)際進(jìn)行抗震超限設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于工程項(xiàng)目實(shí)際情況的分析和了解，合理分析建筑結(jié)構(gòu)體系與布置情況，確保墻體厚度以及材料選取科學(xué)合理，能夠滿足建筑項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)和相關(guān)要求。此外，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)超限類型以及程度進(jìn)行判別，并展開建筑結(jié)構(gòu)抗震超限的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，明確抗震設(shè)防要求，依次進(jìn)行小震彈性分析、中震彈性分析、大震靜力彈塑性分析，最后還需要根據(jù)實(shí)際計(jì)算分析結(jié)果，合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化調(diào)整，采取有效超限處理措施。相信隨著對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)的深入研究和實(shí)踐探索，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量安全將會(huì)得到進(jìn)一步保障。