高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題及優(yōu)化策略

杜 曉 丹

(山西中方森特建筑工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030006)

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高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)問題及優(yōu)化策略

杜 曉 丹

(山西中方森特建筑工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030006)

結(jié)合上海環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了高層建筑抗震設(shè)計(jì)中存在的問題，從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)均勻性、結(jié)構(gòu)延性三方面，探討了高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，以此增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

抗震設(shè)計(jì)，高層建筑，抗震設(shè)防烈度，重力荷載

0 引言

在高層建筑施工中，因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，所以，對工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求較高。而在具體的抗震設(shè)計(jì)工作中，為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)參照《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，實(shí)施具體的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作中，從多角度入手了解結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)，且分析結(jié)構(gòu)中構(gòu)件延性、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、房屋體型等抗震薄弱環(huán)節(jié)，對其進(jìn)行彌補(bǔ)，達(dá)到最佳的抗震設(shè)計(jì)效果。以下就是對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)難點(diǎn)的詳細(xì)闡述。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問題

就當(dāng)前的現(xiàn)狀來看，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，結(jié)構(gòu)體系問題。即在我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了滿足居民需求，注重在150 m以上的建筑設(shè)計(jì)時(shí)，采取框—筒、筒中筒、框架—支撐體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。但因這三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法涉及到了鋼結(jié)構(gòu)的使用，而鋼結(jié)構(gòu)在超過一定高度后，質(zhì)量會隨之減小，并表現(xiàn)出柔軟的特點(diǎn)。所以，將影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。為此，應(yīng)在高層建筑結(jié)構(gòu)體系具體設(shè)計(jì)過程中把鋼骨混凝土作為建筑結(jié)構(gòu)材料；

第二，抗震設(shè)防烈度較低的問題。即在我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，界定中震是指50年內(nèi)超越概率為10%的地震烈度，抗震設(shè)防烈度較低。同時(shí)，始終秉承著“小震不壞，中震可修，大震不倒”的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。此種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國家。所以，應(yīng)針對抗震設(shè)防烈度較低的這一問題進(jìn)行解決，并嚴(yán)格規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中梁柱承載力、軸壓比、配筋率等各項(xiàng)參數(shù)[1]；

第三，高度問題。即因部分建筑企業(yè)在高層建筑施工過程中，基于建筑層數(shù)的不斷增加，開始表現(xiàn)出違反現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的行為。如，延性要求、材料性能、荷載取值超標(biāo)現(xiàn)象，影響到了建筑結(jié)構(gòu)整體抗震水平。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

2.1 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，為了進(jìn)一步提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)水平，注重優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)是非常必要的。

首先，在結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理布局樓層蓋梁系，即把其與構(gòu)件墻、柱之間的垂直間距縮到最短，繼而在建筑結(jié)構(gòu)中，可更好的傳遞垂直重力荷載，并保持豎向構(gòu)件重力荷載應(yīng)力水平均勻性，避免應(yīng)力的二次轉(zhuǎn)移行為，影響高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。同時(shí)，為了滿足抗震要求，在高層建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化中，應(yīng)以“連貫性”為指導(dǎo)思想，科學(xué)部署剪力墻、筒體、支撐、框架等各個(gè)結(jié)構(gòu)，讓它們豎向重力荷載的傳遞更加均勻，起到最佳的抗震效果。

其次，因框架—剪力墻結(jié)構(gòu)更具備抗震能力，所以，在結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化中，應(yīng)采取框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。而在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)以雙向抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)方式，保證兩個(gè)主軸方向側(cè)向剛度、水平承載力適宜性，且保持兩個(gè)主軸方向均部署相應(yīng)的剪力墻，避免相差懸殊所引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題，達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)效果。同時(shí)，基于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作開展的基礎(chǔ)上，應(yīng)嚴(yán)格按照《高規(guī)》要求，控制剛度設(shè)計(jì)問題。即當(dāng)框架部分地震傾覆力距是結(jié)構(gòu)的10%時(shí)，應(yīng)以剪力墻結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，展開框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。當(dāng)框架部分地震傾覆力矩是總地震傾覆力距的10%～50%時(shí)，應(yīng)以框架—剪力墻結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，展開高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行為，而當(dāng)數(shù)值超過80%時(shí)，應(yīng)在采取框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，科學(xué)控制建筑高度[2]。

再次，在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中承載力調(diào)整時(shí)，應(yīng)按照公式：Vt≥0.2Vo進(jìn)行控制。其中，Vo為總剪力；Vt為地震總剪力，Vt.max為總剪力中的最大值，最終通過各個(gè)框架總剪力的科學(xué)控制，達(dá)到較好的抗震設(shè)計(jì)。

2.2 結(jié)構(gòu)均勻性優(yōu)化設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能具體設(shè)計(jì)中，為了保證建筑使用安全性，注重保持建筑結(jié)構(gòu)剛度均勻性也是非常必要的。

首先，在建筑結(jié)構(gòu)均勻性設(shè)計(jì)中，應(yīng)做好主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。即遵從“相近”原則，科學(xué)部署建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向，繼而通過兩個(gè)主軸方向的剛度均勻性部署方法，應(yīng)對地震作用。即地震作用表現(xiàn)出風(fēng)荷載方向任意的特點(diǎn)[3]。所以，若采取主軸方向剛度相近的設(shè)計(jì)方法，可進(jìn)一步增強(qiáng)高層建筑抗震性能，達(dá)到最佳的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

其次，待主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢的基礎(chǔ)上，應(yīng)以“均勻性”為指導(dǎo)思想，展開主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)成和豎向斷面的設(shè)計(jì)工作，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可滿足高層建筑抗震要求。

再次，在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為了有效預(yù)防地震作用，應(yīng)在主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面部署時(shí)，盡量保持同一主軸方向剛度的均勻性，避免因一、二片剛度較大的問題，造成地震時(shí)應(yīng)力集中，發(fā)生建筑坍塌事故。

2.3 結(jié)構(gòu)延性優(yōu)化設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，注重結(jié)構(gòu)延性的優(yōu)化設(shè)計(jì)也可增強(qiáng)高層建筑抗震性能。而在高層建筑結(jié)構(gòu)延性優(yōu)化具體設(shè)計(jì)中，若采取的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，那么應(yīng)在高層建筑施工中，遵從抗震性能設(shè)計(jì)要求，以“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)延性，避免地震發(fā)生時(shí)對建筑結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，因配箍特征值過大時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件會表現(xiàn)出變形問題，影響建筑抗震效果。為此，應(yīng)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)期間，以剪壓比限值的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高高層建筑結(jié)構(gòu)延性，達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目的。

3 抗震設(shè)計(jì)實(shí)例

上海環(huán)球金融中心，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因其建筑總高度是492 m，屬于復(fù)雜的系統(tǒng)工程。所以，在上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，把厚度是4.5 m的底板作為塔樓基礎(chǔ)[4]。同時(shí)，遵從《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)要求，對這一高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取了巨型結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法，并在三維矩形框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，注重保持每個(gè)主軸方向剛度的均勻性，且以三重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，抵抗高層建筑結(jié)構(gòu)中水平荷載。此外，在上海環(huán)球金融中心抗震設(shè)計(jì)中，注重保持建筑中的1層～5層周圍設(shè)有剪力墻，而6層周邊是矩形柱，且在各個(gè)框架結(jié)構(gòu)設(shè)置帶狀桁架，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

從以上的分析中即可看出，基于保持高層建筑框架—剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可更好的控制建筑主體各軸向均勻性，增強(qiáng)主體抗震性能。所以，應(yīng)強(qiáng)化對其的落實(shí)。

4 結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作的展開關(guān)乎著人們生命財(cái)產(chǎn)安全。所以，在高層建筑建造數(shù)量逐漸增多的背景下，應(yīng)從結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)均勻性優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)延性優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面入手，進(jìn)一步優(yōu)化建筑框架—剪力墻的設(shè)計(jì)過程。同時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)造價(jià)、重量要求的基礎(chǔ)上，保證結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中裂縫最小、撓度最小，最終通過科學(xué)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，避免因地震災(zāi)害造成高層建筑坍塌，威脅人們生命安全。

[1] 曾建寧.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，21(16)：84.

[2] 姜桂榮.淺析高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與優(yōu)化方法[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2015，12(6)：208.

[3] 丁潔民，吳宏磊，趙 昕.我國高度250 m以上超高層建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與分析進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，13(3)：1-7.

[4] 鐘銀玲.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)及趨勢[J].江西建材，2013，15(5)：35-36.

The seismic design problem and optimization strategy of high-rise building structure

Du Xiaodan

(Shanxi Zhongfangsente Architectural Engineering Design Institute, Taiyuan 030006, China)

Combining with the structural design of Shanghai world financial center, this paper introduced the existing problems in high-rise building seismic design, from the structure system, structure homogeneity, structure ductility three aspects, discussed the optimization strategy of high-rise building structure seismic design, in order to enhance the seismic performance of high-rise building structure.

seismic design, high-rise building, seismic fortification intensity, gravity load

1009-6825(2017)16-0059-02

2017-03-14

杜曉丹(1983- )，女，助理工程師

TU352

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