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        高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

        2021-04-01 03:49:42甘昱
        關(guān)鍵詞:烈度水準(zhǔn)剪力墻

        甘昱

        (佳兆業(yè)集團(tuán)控股有限公司惠州分公司,廣東惠州516000)

        1 引言

        針對高層住宅建設(shè)結(jié)構(gòu),合理的抗震設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵,其直接影響建筑結(jié)構(gòu)的施工效果。此時(shí)要從建筑結(jié)構(gòu)入手,做好抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)工作,形成完整的抗震體系,為建筑物的穩(wěn)定使用提供支持。

        2 影響高層住宅建筑抗震效果的因素

        2.1 材料

        材料是創(chuàng)建建筑實(shí)體必不可少的要素,現(xiàn)階段的建筑材料類別及性能各不相同,具備的抗震效果也存在差異。若選擇的是加氣混凝土板等具有高強(qiáng)度且質(zhì)地輕的材料,則會(huì)顯著提高建筑物的強(qiáng)度,明顯減輕總體自重,建筑物綜合使用性能更為優(yōu)良。對此,在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重對建筑材料的選擇,要求其具備強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。

        2.2 高度

        現(xiàn)代建筑工程中,高層建筑成為主流趨勢,但在高度增加的同時(shí)其重心的高度也隨之提高,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以得到保障[1]。從實(shí)際情況來看,建筑超高現(xiàn)象普遍存在,在爆發(fā)高強(qiáng)度地震時(shí)極易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)建筑將整體坍塌,造成嚴(yán)重的傷亡事故。為創(chuàng)造可觀的建筑使用價(jià)值,需要合理設(shè)定建筑高度,避免出現(xiàn)重心過高的情況。

        2.3 地基選取

        地基是建筑施工的基礎(chǔ)部分,其穩(wěn)定性也將對建筑的抗震性能帶來影響。對于高層住宅建筑,若地基的穩(wěn)定性與平整性較強(qiáng),建設(shè)所得的建筑物整體抗震性能則較為優(yōu)良;若建筑地基性能欠佳,如存在松軟、含水量過高等情況,此時(shí)建筑物的抗震性能將被大大削弱。從這一角度來看,需注重對建筑物地基的選擇,若因用地規(guī)劃問題而必須在軟土地基上展開施工,則要做好地基加固,使其具有足夠的穩(wěn)定性。

        3 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

        以抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)為工作導(dǎo)向,結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)對其展開抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)工作,以期提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及延性等方面的性能,改善結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用效果。在選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí),應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則。

        3.1 合理的地震作用傳遞途徑

        在房屋蓋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮水平荷載和重力荷載的作用,形成一條高效、簡潔的傳力途徑,以便荷載能夠精準(zhǔn)傳遞到達(dá)各豎向構(gòu)件,如墻、柱、基礎(chǔ)等。

        1)在無轉(zhuǎn)換層高層建筑中布置豎向構(gòu)件時(shí),最合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇是使豎向構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的軸壓力作用于豎向構(gòu)件的幾何中心,減少偏心距。

        2)超高層建筑結(jié)構(gòu)中,應(yīng)盡可能地保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系達(dá)到貫通的狀態(tài),以滿足直接傳力的要求。常見的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)有框架、剪力墻、支撐等,若因設(shè)計(jì)需求而導(dǎo)致其沿豎向存在變化,應(yīng)保證該變化具有均勻性與連續(xù)性,以改善結(jié)構(gòu)的受力條件。

        3)選擇抗側(cè)力構(gòu)件時(shí),應(yīng)保證結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象。為量化分析結(jié)構(gòu)的延性,可采用結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的延性系數(shù)(μ)進(jìn)行表征,其計(jì)算公式為:

        式中,Δup為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)屈服位移,m;Δuy為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)彈塑性位移限值。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),在抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,μ 值至少需達(dá)到3~4。

        3.2 抗震構(gòu)件具有必要的延性

        具有必要的贅余度和內(nèi)力重分布是高層建筑抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。原因是:當(dāng)?shù)卣鹬谐霈F(xiàn)部分構(gòu)件受損退出工作時(shí),剩余構(gòu)件仍能承受全部荷載,從而避免因部分構(gòu)件喪失功能導(dǎo)致整個(gè)建筑失去抗震能力,提高了建筑物的整體抗震性能[2]。因此,發(fā)生地震時(shí),框架、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的梁端、柱頭、柱根部應(yīng)力最復(fù)雜最集中,是最容易受到破壞的部位,抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量讓節(jié)點(diǎn)的破壞先出現(xiàn)在梁端而不是柱節(jié)點(diǎn)處,即梁端先于柱端破壞,避免因柱節(jié)點(diǎn)破壞引起結(jié)構(gòu)整體坍塌。其次,在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中,剪力墻各墻段的高寬比應(yīng)大于2。

        3.3 形成多道抗震防線

        在設(shè)計(jì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí),需要保證其具有多道抗震防線,切實(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。剪力墻除了作為抗側(cè)力構(gòu)件使用外,還應(yīng)發(fā)揮出第一道抗震防線的作用,對此,須合理控制剪力墻的數(shù)量,重點(diǎn)考慮其承受結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩,要求該值至少達(dá)到底部總地震傾覆力矩的1/2。此外,避免剪力墻間距過大的情況,否則會(huì)導(dǎo)致樓板在平面內(nèi)出現(xiàn)大幅度的變形,具體的取值標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(附條文說明)(2016 年版)》,表1 中,B 為屋蓋的長寬比,每組數(shù)據(jù)取較小值。

        表l 剪力墻間距取值表

        當(dāng)剪力墻之間的樓面有較大開洞時(shí),應(yīng)當(dāng)減小樓與屋蓋的長寬比。除此之外,剪力墻在開裂后將伴有地震作用重分配的現(xiàn)象,為在全新的環(huán)境中有效發(fā)揮作用,任意一層框架部分按框架和墻協(xié)同工作分配的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和框架各層地震剪力最大值的1.5 倍或二者的較小值。

        3.4 保證剛度滿足要求

        在主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能指標(biāo)中,剛度為關(guān)鍵內(nèi)容,為確保該剛度值的合理性,需充分考慮水平位移、穩(wěn)定性及強(qiáng)度延性層面的具體要求,合理設(shè)定剛度控制值,以保證建筑結(jié)構(gòu)可以安全使用。在設(shè)計(jì)工作中不可過度加大結(jié)構(gòu)的剛度,滿足和略大于規(guī)范限值即可。

        4 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        對某高層建筑而言,如果在建筑設(shè)計(jì)中將抗震設(shè)防水平定得太高,會(huì)造成建筑材料增加、浪費(fèi)資源、建筑成本大幅度上升;設(shè)防水平定得過低,建筑成本會(huì)比較低,導(dǎo)致建筑抗震性能較弱,一旦發(fā)生地震,建筑物破壞會(huì)更巨大或者出現(xiàn)坍塌,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失更嚴(yán)重。考慮二者兼顧,高層建筑最優(yōu)設(shè)防烈度的抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)才是最經(jīng)濟(jì)合理的。

        4.1 建筑設(shè)防三水準(zhǔn)烈度

        4.1.1 水準(zhǔn)烈度分類

        設(shè)防三水準(zhǔn)烈度的確定主要是根據(jù)多年來我國地震發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析而得出的,分3 個(gè)等級:

        1)第一水準(zhǔn)烈度:是50 年內(nèi),超越概率為63%的地震烈度為眾值烈度;

        2)第二水準(zhǔn)烈度:是50 年超越概率為10%的烈度;

        3)第三水準(zhǔn)烈度(即罕遇地震的概率水準(zhǔn)),是50 年超越概率為2%~3%的烈度。

        4.1.2 水準(zhǔn)設(shè)計(jì)

        根據(jù)設(shè)防三水準(zhǔn)烈度,從而對建筑的抗震設(shè)防提出3 個(gè)水準(zhǔn)的要求,其具體標(biāo)準(zhǔn)是:

        1)建筑物遭遇第一水準(zhǔn)烈度時(shí),不可產(chǎn)生任何程度的損害現(xiàn)象,建筑物需滿足各項(xiàng)使用需求,結(jié)構(gòu)受力條件應(yīng)維持在彈性變形狀態(tài)。

        2)建筑物遭遇第二水準(zhǔn)烈度時(shí),允許出現(xiàn)一定程度的損壞,但修繕后可正常使用。盡管此時(shí)的結(jié)構(gòu)處于非彈性變形狀態(tài),但無明顯的彈塑性變形,該值能夠得到有效控制,震后殘留的永久變形量無明顯偏大的問題。

        3)建筑物遭遇第三水準(zhǔn)烈度時(shí),各部分結(jié)構(gòu)均處于非彈性變形狀態(tài),要求其始終具有可控性,未達(dá)到結(jié)構(gòu)倒塌的臨界變形值,換而言之,不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌現(xiàn)象。

        表2 為抗震三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

        表2 抗震三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

        Il、Id、Iu分別代表小震、中震和大震。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,定義小震Il=Id-l.55;對于大震,當(dāng)Id=V1 度時(shí),Iu為Ⅶ度強(qiáng);當(dāng)Id=Ⅶ度時(shí),Iu為Ⅷ度強(qiáng);當(dāng)Id=Ⅷ度時(shí),Il為Ⅸ度弱;當(dāng)Id=IX度時(shí),Iu為Ⅸ度強(qiáng)。

        4.2 層間位移限制

        高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于高寬比較大的,位移限值則受到材料、結(jié)構(gòu)體系等多方面因素的共同影響,所以,在高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中,應(yīng)做到統(tǒng)籌兼顧。必須合理設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值,以便提高穩(wěn)定性,確保其功能可正常使用。高層建筑更容易受到地震的影響,此情況下將伴隨更明顯的層間位移現(xiàn)象,因此,抗震體系設(shè)計(jì)時(shí),需加強(qiáng)對層間位移的限制,避免在地震時(shí)出現(xiàn)大幅度位移的問題。

        5 結(jié)語

        綜上所述,在高層住宅建筑規(guī)模逐步擴(kuò)大的背景下,加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)極具必要性。本文結(jié)合實(shí)際工作,從場地選擇、結(jié)構(gòu)配置和優(yōu)化等多方面入手,提出從根本上提高建筑抗震能力的措施,為同類工程提供參考和指導(dǎo)。

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