于 鵬

(山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺 264000)

0 引 言

高層民用建筑是在社會發(fā)展及人類生活所需的驅使下產生的,同時也是城市化建設的必然結果。隨著建筑建設水平的不斷提升,輕質、高強的建筑材料得到廣泛使用,并為高層建筑的發(fā)展提供了有力的物質和基礎支撐。對于高層民用建筑的結構抗震設計要求,是保證在發(fā)生較小地震災害問題時,建筑本身不會受到影響;在發(fā)生中級地震災害問題時,建筑受損不嚴重,并且不會對居民的人身安全造成威脅;在發(fā)生大地震時,建筑不會坍塌,并且可以為居民提供有效的空間和時間,逃離建筑[1]。對高層民用建筑結構的抗震要求,對于地震多發(fā)地區(qū)而言具有十分重要的意義。當前傳統(tǒng)高層民用建筑的結構抗震設計,采用以三水準作為設防目標的傳統(tǒng)抗震思路,對于建筑結構及材料本身存在的問題并沒有進行過多考慮,導致在實際建設中存在只注重結構尺寸優(yōu)化、優(yōu)化后的目標無法完全符合 具體施工要求、無法實現(xiàn)離散變量優(yōu)化等問題,嚴重影響高層建筑的施工質量,并且使周圍居民的安全得不到保障[2]。因此,本文針對這一問題,開展基于時變性能的高層民用建筑結構抗震設計方法研究。

1 高層民用建筑結構抗震設計

1.1 建筑結構抗力時變模型

在對高層民用建筑結構抗震設計時,應當結合混凝土材料在空氣當中的作用引發(fā)的結構承載力變化,考慮其結構的時變性能[3]。因此,根據(jù)混凝土的碳化引發(fā)結構退化的三個階段,如圖1所示,建立基于時變性能的建筑結構抗力時變模型p。

圖1 混凝土結構強度時變圖

當混凝土結構開始受到時間的改變而發(fā)生碳化反應時,鋼筋也逐漸銹蝕,并且當?shù)竭_一定程度后,混凝土表層將會逐漸開裂并脫落,最終混凝土保護層結構整體失去效用,鋼筋繼續(xù)銹蝕。由模型可以看出,當混凝土結構開始碳化后,經過一段時間未達到鋼筋表面時,離鋼筋表面還有碳化殘量仍存在一定距離時,此時鋼筋開始銹蝕。通過上述分析,得到如公式(1)所示的基于時變性能的建筑結構抗力時變模型。

(1)

式中:δ(t)為鋼筋混凝土及結構的銹蝕深度;δcr為混凝土開裂時間。除此之外,影響混凝體結構發(fā)生碳化的主要因素包括材料本身的因素,例如水與石灰的比例、水泥的類型等,還包括外界環(huán)境因素影響,例如溫度、濕度、二氧化碳濃度等。因此,在針對具體高層民用建筑的施工條件,對其結構抗震性還需要進行具體分析。

1.2 高層民用建筑地基結構抗震性設計

根據(jù)具體高層民用建筑工程施工過程中對抗震的要求,并結合上述構建的建筑結構抗力時變模型,對建筑地基結構抗震性進行設計。在一個建筑結構方案設計過程中,由于不同結構的特點存在不同的抗震標準,因此對于地基結構的抗震處理方式也不同。為防止在后續(xù)施工和使用階段,地震時出現(xiàn)建筑晃動、沉降,甚至坍塌的問題,根據(jù)褥墊的設計方案可實現(xiàn)對其抗震效果的處理。將褥墊結構設計在建筑的地下地帶以及持力位置,當?shù)卣鹨l(fā)建筑晃動或沉降時,建筑地基結構保護地帶上會附加較大的壓力,從而防止建筑中的地板結構出現(xiàn)開裂,進而抑制了二次振動或沉降問題的發(fā)生[4]。在制定建筑結構設計方案時,對于建筑現(xiàn)場存在天然的地基結構的情況,可對其同樣進行相應的養(yǎng)護作用,從根本上提升建筑地基結構的抗震性。

由于高層民用建筑大多存在地下室結構,因此針對這種建筑結構的抗震設計,還應當考慮到發(fā)生地震時,地下水的運動情況。當高層民用建筑所處地區(qū)處于降水豐富時期時,地下水位會呈現(xiàn)出快速上漲的趨勢。而此時,對于地下室地板的防水結構設計十分重要。通常情況下,地下室在建筑結構復雜,且基槽地膜結構的形狀不一。因此,在對其外部輪廓進行設計時應當盡可能地簡潔,從而有利于后續(xù)建筑防水的順利進行,通過良好的防水結構還可進一步提高建筑的抗震性。

1.3 高層民用建筑構件抗震性設計

為了進一步提高高層民用建筑結構的抗震效果,還可以通過增加鋼筋保護層的厚度,實現(xiàn)對建筑構件抗震性的提升。在設計高層民用建筑結構時,應當選用在構件表面添加碳化或氯離子等采用入侵的鋼筋結構。根據(jù)混凝土在實際建筑中的暴露情況,對混凝土的保護層厚度進行設定。對于一般高層民用建筑結構設計中的混凝土結構構件而言,混凝土的厚度應當在C25～C30范圍內,并且其保護層的厚度應當在31.5 mm以上;對于靠近地下水位置或保護在海上的建筑構件,其混凝土的保護層厚度應當在55.8 mm以下;對于周圍鋪設公路或橋梁護欄的建筑構件結構,其混凝土保護層厚度應不小于55.5 mm;對于室內的混凝土梁、柱、筋等構件結構,其混凝土保護層厚度應當為35.5 mm,以此才能保證高層民用建筑結構的抗震性。在對高層民用建筑結構抗震方案進行設計時,為了進一步提高其抗震性,可在選擇混凝土材料時,清晰地給出混凝土構件的使用時間,并嚴格按照材料的規(guī)范規(guī)定進行結構設計。

1.4 建筑結構設計方案抗震數(shù)值模擬

為保證在施工過程中,按照上述設計步驟得到的高層民用建筑結構合理,并滿足抗震要求。在具體施工時,會擾動周圍的巖土結構,導致巖土結構原本的應力平衡遭到破壞,巖土應力重新分布,會造成地層和建筑發(fā)生下沉[5]。當下沉超出一定限度時,不僅會對建筑的抗震性造成影響,還會引發(fā)施工安全事故問題。因此,在施工前,還需要對方案內容進行抗震數(shù)值模擬。在建筑施工過程中,周圍巖體應力是由自重應力與結構應力兩部分組成,在模擬過程中可以將兩部分應力進行簡化,將其簡化為垂直應力或者水平應力。利用有限元法將結構設計方案中的數(shù)值模擬分成兩部分,一是對施工過程數(shù)據(jù)模擬,二是對建筑抗震能力定量數(shù)據(jù)模擬。

對于施工過程中數(shù)值模擬主要是利用有限元軟件實現(xiàn)施工過程中,建筑機構荷載的施加和釋放的循環(huán),每一次荷載循環(huán)代表一個施工步驟[6]。因此在數(shù)值模擬過程中對于荷載施加不能一次完成,所以本文結合階段式疊加方法,通過多個增量對施工過程中每個施工步驟荷載進行增加。荷載的釋放也采用上述相同的方法。應用有限元方法對施工過程數(shù)值模擬分析的過程中荷載的釋放與施加是通過相關系數(shù)來控制,其具體有限元表現(xiàn)形式可用如下公式表示:

Qv=n×(qm+K)·(Nc+Nd)

(2)

式中:Qv為混凝土結構總剛度矩陣;n為施工過程中的具體步驟次數(shù);qm為建筑圍巖初始總剛度矩陣;K為剛度增量和減量;Nc為開挖過程中,釋放荷載的等效結點力;Nd為發(fā)生地震時,新增的自重等效結點力。利用上述有限元分析表達式,對建筑結構設計方案抗震數(shù)值模擬,實現(xiàn)在施工前對方案可行性的驗證。

2 對比實驗

2.1 實驗條件

本文以某建筑工程的整體結構體系舉例,驗證本文提出的基于時變性能的高層民用建筑結構抗震設計方法與傳統(tǒng)抗震設計方法的抗震強度。該高層民用建筑的抗震方案設計要求是對地上15層、地下2層建筑進行設計。在對其抗震結構進行設計時,為保證驗證結果的公正性,分別采用本文提出的抗震設計方法與傳統(tǒng)抗震設計方法為該建筑工程提出抗震方案,保證兩種設計方案,建筑總高度為27.8 m,地下兩層每層高度為4.2 m,地上15層每層高度為5.2 m,建筑總面積為15 340.72 m2。規(guī)定該高層民用建筑的整體施工要求為:地下2層采用現(xiàn)澆混凝土材料,地上15層采用預制框架,將頂板作為該高層建筑上半部結構的固定部分。將兩種設計方法得出的抗震方案分別輸入到仿真軟件當中,構建兩個規(guī)格完全相同的高層民用建筑模型。分別向兩個模型施加烈度為5度、6度、7度的地震情況,記錄兩種模型抗震情況。設定利用本文設計方法得到的建筑模型為實驗組,利用傳統(tǒng)設計方法得到的建筑模型為對照組。

2.2 實驗結果與分析

對比兩種模型在不同烈度下地震中的抗震情況,將實驗組與對照組水平方向上的晃動范圍進行記錄,并繪制成如圖2所示的實驗結果對比圖。

圖2 實驗組與對照組地震時水平方向晃動范圍

從圖2中的兩條曲線對比可以看出,在對兩組建筑模型施加5度和6度的震動時,實驗組的水平方向晃動范圍明顯低于對照組。圖2中,對照組虛線部分表示為在實驗過程中,對照組建筑模型在受到烈度為7度的地震時,建筑模型整體出現(xiàn)了嚴重的坍塌現(xiàn)象,因此沒有有效的記錄結果。在實驗過程中,本文方法在建筑施工前設計了對結構方案的數(shù)值模擬環(huán)節(jié),因此可以進一步確保施工質量。通過實驗證明,本文方法的抗震強度更高,按照本文方法設計的建筑結構質量更高,抗震效果更明顯,在實際施工將會帶來更大的社會效益。

3 結束語

通過開展基于時變性能的高層民用建筑結構抗震設計方法研究得出,建筑結構在其全生命周期當中,由于會受到外界環(huán)境因素以及自身因素的影響,結構會發(fā)生退化現(xiàn)象。因此,在對建筑結構進行設計時,應當充分考慮到各建筑材料的時變性能,從而保障后續(xù)建筑施工及實際應用的安全。