基于大開間結構的高層住宅抗震性能優化設計分析

摘" 要：抗震性能直接關系到高層建筑的質量安全，為提升高層住宅建筑的抗震效果，以高層住宅大開間結構為主要研究對象，從建筑結構設計的角度，結合實際的工程案例，對高層住宅大開間結構抗震性能的設計優化方案進行研究。結果表明，對抗震性能的優化設計，應基于建筑結構的規劃設計要求，借助先進的智能技術和手段提高抗震參數計算的準確性。由此可以證實，抗震性能是建筑結構設計的重要組成部分，對大開間結構的設計也應加強對抗震性能的重視。

關鍵詞：高層住宅；大開間結構；抗震性能；建筑結構；設計原理

中圖分類號：TU973" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0139-04

Abstract： Seismic performance is directly related to the quality and safety of high-rise buildings. In order to improve the seismic effect of high-rise residential buildings， this paper takes the large bay structure of high-rise residential buildings as the main research object， and studies the design optimization scheme of seismic performance of large bay structure of high-rise residential buildings from the perspective of architectural structure design and based on practical engineering cases. The results show that the optimal design of seismic performance should be based on the planning and design requirements of building structures， and the accuracy of seismic parameter calculation should be improved with the help of advanced intelligent technologies and means. It can be confirmed that seismic performance is an important part of building structural design， and more attention should be paid to seismic performance in the design of large bay structures.

Keywords： high-rise residential building; large bay structure; seismic performance; building structure; design principle

在新發展階段，高層建筑已經成為衡量現代化城市和社會發展的主要依據之一。以保障建筑質量安全為主要目標，考慮抗震性能對高層住宅建筑結構穩定性的影響，是當前高層建筑項目設計建造需要關注的重點問題。大開間結構是高層住宅建筑中一種典型的建筑結構形式，對大開間結構的抗震性能進行分析，對提升高層建筑的建設水平，促進高層建筑項目的發展具有積極的意義。

1" 大開間結構建筑抗震性能設計原理

1.1" Pushover分析方法

Pushover分析方法主要是基于建筑混凝土鋼筋結構在受到地震外力作用情況下產生的彈塑性變化，提出的一種基于先進軟件來建構建筑模型的分析方法。該方法在實際應用中，需要將建筑相關的參數輸入到建筑模型中，同時設置不同程度下的地震作用條件，模擬出建筑結構在受到地震作用力下，對相關參數的整個變化過程進行記錄和整理，由相關人員結合模型數據的變化來繪制曲線，從而實現對地震波、作用力及建筑結構參數變化之間的關系，并將其作為衡量建筑結構抗震性能的主要依據。現階段，這一方法主要用于判斷建筑結構是否存在薄弱環節。通常情況下，該方法需要與其他分析方法結合起來，作為一種輔助手段，補充針對建筑結構相關參數分析和計算。

應用該方法需構建一個基于建筑物結構設計要求的彈塑性模型。按照先豎向后水平的順序，向軟件中呈現的結構模型施加作用力，依據建筑結構中最薄弱構件的變形情況，實現對水平荷載增量的有效控制[1]。當建筑結構構件在外力作用下屈服變形后，需要修正建筑物結構，然后再次重復以上步驟。

通過不斷施加壓力和反復修正的過程，對建筑結構內部構件的內力和彈塑性變形情況進行統計分析，在結構整體超過規定的限值后，就可以基于以下公式，記錄分析建筑結構的位移情況

式中：δl為建筑物結構的目標位移，Sa為譜加速度，Te為建筑物結構的有效基本周期，C0為建筑物結構頂點位移之間的修正系數，C1為建筑物結構實際最大彈性位移與期望值之間的修正系數，C2為最大位移反應性狀的修正系數，C3為建筑物結構構件屈服后的修正系數，g為重力加速度。

考慮到不同高層混凝土建筑物的結構形式存在的差異，因而對于各種修正系數的取值也會存在一定的區別。例如，當高層混凝土建筑結構的位移限制要求較高時，相應修正系數的取值也會越小。

而對于有效基本周期的計算，則需要依據以下公式

式中：Ti代表建筑物結構的基本自振周期，Ki代表建筑物結構彈性范圍內的側向剛度，Ke代表結構的有效側向剛度，Te為建筑物結構抗震有效基本周期分析結果。

考慮該方法在實際應用中存在一定限制，在當前先進科學技術不斷優化發展的背景下，能夠結合高層建筑項目的實際建設經驗，從模型建立和參數選擇的角度，對Pushover分析方法進行改進。以提高分析方法的應用精度為主要目的，發揮高階振型的作用。這種振型在實際的應用中能夠通過進一步細化估算結構需求，并反映出結構發生屈服后的地震作用變化。在構建模型的過程中，應充分考慮側向適應性的荷載分布加載模式，選取有效的振型對模型框架結構進行靜力推覆分析。將分析得到的結果與振型的參與重量相比較，并對振型的目標位移大小進行修正。

1.2" 彈性時程分析方法

彈性時程分析方法，主要是指基于建筑物結構在地震作用下產生的響應時程情況，應用先進的軟件技術了解建筑物結構的抗震性能。該方法在實際應用中，需要通過事先設定假設條件的方式，避免受到其他各類因素的限制，重點考慮實際建筑物結構設計中的土和深基礎的相互作用。基于動力時程分析方法的應用優勢，將該方法應用到高層建筑的抗震設計中，主要以模擬高層建筑結構在不同情況下的結構彈性為主要依據，通過計算建筑物可能遭遇的各種罕見地震情況下的結構彈性進行計算[2]。在這個計算的過程中，地震加速度時程的最大值會對系數曲線以及建筑物結構整體的抗震性能產生較大的影響（表1）。

2" 基于實例的高層住宅大開間結構抗震設計分析

為提升高層建筑的抗震效果，在明確抗震性能設計原理的前提下，選擇某具體的高層建筑項目為主要研究對象，探討抗震性能的優化設計與建筑結構之間的聯系，主要可以從以下幾個方面入手。

2.1" 工程概況

某工程為典型的高層住宅樓，建筑總高度為53.65 m，地上18層，地下1層，住宅樓結構為2梯4戶，地下一層層高5.30 m，地上一層層高3.05 m，總建筑面積達到7 491.86 m2。考慮建筑質量安全，建筑結構為剪力墻結構，抗震等級為剪力墻四級抗震，基本風壓值為0.35 kN/m2。在對建筑抗震性能進行設計時，設置基本地震加速度為0.05g，選取鋼筋強度登記為HRB400，剪力墻厚度為200 mm。

2.2" 結構方案設計

考慮本工程中的建筑結構為剪力墻，這種結構對性能的要求較高，在考慮甲方業主對該高層建筑項目的投資巨大，且整體建設周期較長，因而需要在盡可能節約成本的前提下對其進行設計。基于抗震性能的建設要求，在結構設計中，應結合剪力墻結構的特點，遵循墻肢布置以及梁、板布置的相關原則。在墻肢布置方面，閉合各墻體連接的剛度，避免使用長短肢的剪力墻，以合理化的設計為主要目標，避免出現剪力墻結構超限的情況。而在梁、板布置環節，則需要考慮是否進行后砌墻的布置，并注重墻的自重對豎向構件及梁的承載力產生的影響。對板跨度較大且板厚不足的情況，可以應用梁達到分隔樓板的目的，也可以降低短跨方向上的長度，用來增加板厚度。在建筑結構的設計中，也應注意盡可能減少對梁的布置，避免過多的梁對房間的凈高和建筑內部空間的美觀性產生影響。在此基礎上考慮通過合理運用構件的方式滿足結構荷載和受力的要求，同時也需要注意達到經濟性的要求。

在對該建筑項目進行抗震設計時，考慮借助建筑結構軟件，以構建建筑模型的方式，提出2種不同的結構設計方案，對比分析不同方案的抗震效果。依據混凝土強度等級在不同高度上的區分，在2個方案的建筑模型中都設置4個標準層，層高為實際層高。

方案一為基于標準層的原本施工結構方案。

方案二為基于削弱Y向為主的大開間結構方案。該方案主要通過削弱或減少中部剪力墻的布置來加強外框架，以此來擴大建筑內部的空間。依據這一目的，應在建筑結構的優化設計中，通過調試相關的參數讓建筑結構的承載力達到抗震的基本標準要求。

方案三為以削弱X向為主的大開間方案。在設計中，將每層廚房、書房以及臥室連接處的位置X向剪力墻取消，讓相對應的Y向墻肢加長（如圖1所示）。

2.3" 荷載取值與計算

在明確大開間結構的設計方案后，從建筑結構抗震性能的角度，應對建筑荷載進行計算分析，用以衡量建筑結構的穩定性效果。該高層項目的連廊板面恒載為1.5 kN/m3，樓梯間恒載為7 kN/m3，其余房間板面恒載為2 kN/m3。基于此明確該工程活荷載的標準值取值大小，則建筑陽臺、衛生間的活荷載為2.5 kN/m3，樓梯間或荷載為3.5 kN/m3，電梯機房活荷載為7 kN/m3，屋面活荷載為0.7 kN/m3。

2.4" 彈性時程分析方法的應用

以彈性時程分析方法來對以上集中結構設計方案進行分析，應考慮地震波的影響。地震波能夠直接對建筑物結構受到的作用力大小產生影響，因而在選擇地震波時，一般需要結合建筑場地的實際情況，以符合建筑物結構的頻譜特性、幅值以及地震加速度時程曲線持續時間三方面的規定要求為主要標準[3]。

本項目基于得到的綜合計算地震波的結果，選擇TH2TG035、TH4TG035兩條天然地震波和Art-Wave-RH2TG035一條人工地震波用于分析。在實際分析中，明確反應譜分析的起始周期為0.01 s，終止周期為6 s，反應譜分析周期步長為0.02 s，特征周期為0.35 s，地震影響系數最大值為0.04，主方向峰值加速度為18 cm/s2，次方向峰值加速度為15.3 cm/s2，時程分析時間步長為0.02 s，結構阻尼比為0.05。

基于以上數值，以方案二為例，可以得到表2中的時程分析結果。

結合表中數據可以發現，單波計算得到的基底剪力，通常為規范譜CQC的0.65～1.35倍，而多條波的彈性基底剪力則為規范譜CQC的0.8～1.2倍。

將3種結構方案中產生變化后的參數值都帶入到模型當中，得到基于3種結構的抗震性能效果，發現盡管選取的地震波存在差異，不會對3種結構方案的抗震性能產生較大的影響。具體而言，當地震波在0～0.20 s時，地震影響系數增大，最大值在0.058左右；當地震波在0.20～1.50 s時，地震影響系數會隨著周期增大而減少；當地震波進入1.5 s后，地震影響系數會越來越低，降低速度也會呈現出放緩的趨勢。

考慮本文中選擇的工程案例為典型的大開間高層建筑，依據建筑本身設防烈度的要求不同，大開間結構能夠體現出良好的抗震性能，而以削弱Y向為主的大開間布置方案表現更好。應用這一方案進行結構抗震性能的設計，能夠在兼顧抗震性能的同時，提升剪力墻的利用率，進而降低工程建設的成本。而大開間結構本身也為住戶對住宅戶型進行改建和擴建提供了可能，也符合現階段市場對建筑結構經濟性設計和建造提出的要求，能夠成為一種可行的建筑結構設計思路。本文在研究中依據設防烈度為6度進行模擬。如果設防烈度為7度，這種大開間結構下的抗震性能就會偏弱，因而需要在現有建筑結構設計方案的基礎上，對建筑剪力墻的結構進行重新設計，以合理布置剪力墻為主要目標。

2.5" Pushover分析方法的應用

在高層大開間結構的抗震設計中應用Pushover分析方法，主要依據建筑結構在地震效應下呈現出的彈塑性狀態。在這一狀態下，建筑結構的剛度和內力都會發生變化。應用Pushover分析方法來輔助分析建筑結構在地震作用下的真實狀態，有利于提升地震性能分析的準確性[4]。

具體而言，應用Pushover分析方法，以方案二為例，主要判斷建筑結構的位移、位移角以及剪力是否能夠滿足建筑項目的規范建設要求，明確建筑構件的性能信息，讓其能夠基于地震下建筑結構的受力情況來優化各類具體的結構構件。在這一過程中，應事先在軟件中設置建筑結構荷載的加載方式，選擇合理的計算方法來查看性能點，以構件纖維墻元模型的方式來定義剪力墻。設定罕遇地震作用的背景條件，可以得到譜加速度與譜位移之間的關系[5]。

結合前文的分析結果，在多遇地震的情況下，規范譜CQC下X向的基底剪力為883.339 kN，Y向的基底剪力為1 016.131 kN。而在靜力彈塑性分析中，通過模型計算和驗證，分析得到X向的基底剪力為3 731.48 kN，Y向的基底剪力為3 900.06 kN。由此可以發現，應用Pushover分析方法得到的各方向基底剪力結果為應用彈性時程方法的4倍，這一結果是符合建筑結構在靜力彈塑性分析中對基底剪力標準要求的。而從最大位移角的計算分析結果來看，應用Pushover分析方法得到的X向最大位移角為1/624 rad，Y向最大位移角為1/616 rad，而建筑結構中針對最大位移角的規定值為1/120 rad，因而可以證實，大開間結構的設計方案能夠保障結構良好的受力性能。

在這一情況下，考慮無論削弱X向還是Y向，都能夠滿足建筑結構抗震設計的需求[6]。在實際項目中，則應考慮不同方案產生的經濟成本大小，以此來提升建筑項目的質量安全，也有利于提升建筑項目的經濟效益。針對以上3種方案進行經濟成本的計算，發現方案二的剪力墻布置率最低，為4.90%，剪力墻面積大小為22.82 m2，基于混凝土和鋼筋的用量對建筑結構的主要材料造價進行計算，在建筑面積相同的情況下，方案一造價總計225.6萬元，方案二造價總計214.1萬元，方案三造價總計218.8萬元，因而該工程選擇方案二進行施工。

3" 結論

綜上所述，提高高層建筑項目的抗震性能，對保障高層建筑項目的穩定性和質量效果具有積極的作用。以提升建筑項目的抗震性能為主要目的，考慮在明確高層建筑項目基本建設要求的前提下，基于建筑結構的基本抗震理論，計算大開間結構下建筑所需的各項抗震性能參數，以構建建筑模型的方式來驗證建筑結構的抗震性能和承載力大小，從而為建筑結構的優化設計提供借鑒的思路。

參考文獻：

[1] 孫波，闞和順，孫經緯，等.高層建筑結構抗震性能處理措施分析與設計[J].四川建材，2023，49（7）：37-39.

[2] 孫經緯，闞和順，張偉，等.淺析提高建筑結構抗震性能的有效措施[J].四川建材，2023，49（4）：50-51，56.

[3] 王龍梅.地震作用下樓板隔震建筑結構抗震性能研究[D].青島：青島理工大學，2022.

[4] 劉飛宇.某高層住宅剪力墻大開間結構體系的抗震性能研究[D].合肥：安徽建筑大學，2022.

[5] 易劍，黃卓.某高層住宅項目弱連接樓蓋的抗震性能化分析和設計[J].廣東土木與建筑，2023，30（8）：70-73.

[6] 馬龍珍.側向剛度對高層住宅抗震性能的影響和分析[J].中國新技術新產品，2023（7）：98-100.