唐健碩（中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司第三工程分公司，山東 青島 266000）

近年來，我國城市化進(jìn)程的步伐愈發(fā)緊湊，經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，在這一背景下，高層建筑在山地地區(qū)的建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，成為城市天際線的一部分。為了確保高層建筑在地震發(fā)生時(shí)能夠保持結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性，抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)成為當(dāng)下山地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵課題[1]。山地地區(qū)獨(dú)特的地質(zhì)條件和地形特點(diǎn)，為高層建筑的抗震設(shè)計(jì)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。首先，山地地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，包括地殼構(gòu)造、地震活動性、地形地貌等，使得山地地區(qū)的高層建筑在地震時(shí)承受的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)更高；其次，山地地區(qū)的地形起伏較大，高低落差明顯，導(dǎo)致建筑物所承受的風(fēng)荷載和地震作用力也相應(yīng)增大。此外，山地地區(qū)的地形條件還可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、泥石流等，對高層建筑的安全構(gòu)成威脅[2-3]，研究旨在對山地建筑結(jié)構(gòu)的高層建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討。首先構(gòu)建了樁-土相互作用分析模型實(shí)現(xiàn)動力特性分析，接著引入了上接地層拉梁和改變剪力墻布置的優(yōu)化方案，以有效改善地震作用下的層間位移差異和層剪力問題。通過對山地建筑結(jié)構(gòu)的高層建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究和探討，以期推進(jìn)山地地區(qū)的高層建筑抗震設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

1 基于山地建筑結(jié)構(gòu)的高層建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 樁-土體系的相互作用動力分析模型構(gòu)建

首先，對于土體的建模，需要采取一種合理的方法。研究選擇Mohr-Coulomb 模型作為土體的本構(gòu)模型，其可以充分展示出土體在受到荷載作用時(shí)的變形特征[4]。Mohr-Coulomb模型遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，根據(jù)這一準(zhǔn)則，當(dāng)土體中某一位置的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度時(shí)，該位置的土體就會發(fā)生破壞。在土體建模過程中，需要注意以下幾個(gè)方面：一是要充分了解土體的材料性質(zhì)，包括其抗剪強(qiáng)度、密度、含水量等基本參數(shù)；二是要合理選擇模型參數(shù)，以便更準(zhǔn)確地反映出土體的力學(xué)特性；三是要根據(jù)實(shí)際情況確定荷載條件，以便更真實(shí)地模擬土體在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)。Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算如式（1）所示。

式中τ代表剪切強(qiáng)度，Pa；φ為土體摩擦角，°；c表示土體粘聚力，Pa；σ表示法向應(yīng)力，Pa。

接著進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，首先需要構(gòu)建一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)模型。研究采用Abaqus有限元軟件中的梁單元對建筑上部結(jié)構(gòu)的梁和柱進(jìn)行模擬，梁單元的分析原理基于主要纖維模型，可以準(zhǔn)確地反映出梁截面在受力過程中的性能變化[5]。通過這種方法，可以更好地了解梁在各種受力條件下的反應(yīng)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。此外，研究過程中還采用了等效原則，將鋼筋和混凝土材料簡化為同一材料，將鋼筋的力學(xué)特性以等效的混凝土材料表示。這種等效后的材料具有一定的彈塑性本構(gòu)行為，可以更好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土的協(xié)同作用。在此基礎(chǔ)上，研究使用Von-Mises屈服準(zhǔn)則來描述這種等效材料的塑性變形特性，同時(shí)采用相關(guān)聯(lián)流動規(guī)則的雙線性等向硬化模型來描述其彈性變形特性。

滿足Von-Mises 屈服條件的單軸屈服應(yīng)力計(jì)算如式（2）所示。

式中J2表示應(yīng)力偏量的第二不變量，J2代表單軸的屈服應(yīng)力，Pa；Hα表示硬化參數(shù)，其定義如式（3）所示。

式中σx代表屈服后的材料單軸應(yīng)力，Pa；εxp代表單軸塑性應(yīng)變。

在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的斜率表示如式（4）所示。

最后，研究通過將土體模型和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行耦合，建立樁-土體系的相互作用模型，主要通過定義接觸單元來模擬樁與土體的接觸。由于樁和土體之間存在著明顯的材料性質(zhì)差異，當(dāng)二者承受的荷載超過一個(gè)限值后，兩者之間的交界面會出現(xiàn)滑動、擠壓等現(xiàn)象。完全耦合的接觸設(shè)置無法真實(shí)地反映樁和土界面的實(shí)際情況。因此，在樁-土結(jié)構(gòu)相互作用分析中，需要考慮樁與土的接觸效應(yīng)，并進(jìn)行樁-土接觸的模擬。研究在Abaqus 中采用面-面接觸算法來模擬樁-土接觸，這種接觸模型需要定義一個(gè)主控面與一個(gè)從屬面，并通過材料剛度來進(jìn)行劃分。

由于樁的剛度通常比土體大得多，因此研究將樁的側(cè)面定義為主控面，將土的側(cè)面定義為從屬面，以確保在接觸過程中，樁對土施加的力能夠準(zhǔn)確傳遞到土體中。在樁-土接觸模擬中，除了定義接觸面之外，還需要定義接觸本構(gòu)來描述接觸面之間的相互作用。在三維模型中，接觸面的相互作用包括法向以及切向作用。其中，法向作用在Abaqus中被定義為硬接觸，只有兩個(gè)接觸面相互壓緊時(shí)，才能夠傳遞法向壓力。而在定義切向作用時(shí)，假設(shè)接觸面上存在Coulomb 摩擦，并且規(guī)定了摩擦系數(shù)和極限切應(yīng)力。當(dāng)實(shí)際切應(yīng)力小于極限切應(yīng)力時(shí)，則認(rèn)為接觸面之間沒有相對位移；而當(dāng)實(shí)際切應(yīng)力大于極限切應(yīng)力時(shí)，接觸面就會發(fā)生相對位移。通過樁-土體系的相互作用動力分析模型的構(gòu)建，研究進(jìn)行動力分析后，可以得到受力和變形結(jié)果。對分析結(jié)果進(jìn)行評估和解讀，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能和穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

1.2 樁-土相互作用體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.2.1 上接地層拉梁設(shè)置

在山地建筑中，由于地形的不平坦和地震的影響，結(jié)構(gòu)的變形和受力會出現(xiàn)不均勻的情況。為了優(yōu)化山地框架剪力墻結(jié)構(gòu)上接地層和掉層部分的受力情況，使結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范要求，研究在上接地處中間跨設(shè)置了拉梁。設(shè)置上接地端拉梁的步驟如下：首先，確定拉梁的位置。通常情況下，拉梁位于剪力墻的上部，與基礎(chǔ)的上端相連接。確定拉梁位置時(shí)，需要考慮整體結(jié)構(gòu)布局以及地震力的傳遞路徑，通過分析結(jié)構(gòu)的荷載傳遞和抗震需求，確定拉梁的尺寸和形狀；其次，進(jìn)行布置方案分析。這一步驟包括確定拉梁的具體尺寸和形狀，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的荷載傳遞和抗震需求。在優(yōu)化布置時(shí)，需要考慮拉梁與剪力墻、樓板和基礎(chǔ)的連接形式，以及相應(yīng)的連接細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)拉梁時(shí)，需要考慮樁-土-結(jié)相互作用的影響，這涉及樁的選型和布置，以及拉梁與樁的連接方式。樁-土-結(jié)相互作用的合理考慮可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；最后，設(shè)計(jì)連接細(xì)節(jié)是設(shè)置上接地端拉梁的重要步驟。這包括確定連接方式、連接材料和連接構(gòu)造等。通過詳細(xì)的連接細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，確保拉梁與基礎(chǔ)、樓板和剪力墻之間的連接牢固可靠。在地震作用下，拉梁可以通過承擔(dān)部分水平力，減少剪力墻的變形，并將一部分力傳遞到接地層。這樣可以減小剪力墻的受力集中，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。上接地層拉梁設(shè)置示意圖如圖1所示。

圖1 上接地層拉梁設(shè)置示意圖

1.2.2 改變結(jié)構(gòu)的剪力墻布置

為了優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)上接地層和掉層部分的受力情況，研究對結(jié)構(gòu)剪力墻的布置進(jìn)行了改變。剪力墻主要集中布置在下接地端側(cè)，現(xiàn)在研究主要將其平均地布置在上接地端側(cè)和下接地端側(cè)，同時(shí)保持每層剪力墻所占的面積不變。改變結(jié)構(gòu)剪力墻的布置可以采取以下步驟：首先，確定結(jié)構(gòu)剪力墻的位置。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和地震力分布，確定結(jié)構(gòu)剪力墻需要設(shè)置的位置；其次，分析結(jié)構(gòu)剪力墻的布置方案。根據(jù)山地高層建筑的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)剪力墻的功能，分析不同的布置方案?？紤]到山地地形的不規(guī)則性，可以根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)剪力墻，以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；接下來，通過結(jié)構(gòu)分析和模擬計(jì)算，對不同布置方案的受力性能和變形情況進(jìn)行評估，根據(jù)評估結(jié)果，選擇最優(yōu)的布置方案。在布置結(jié)構(gòu)剪力墻時(shí)，需要考慮樁-土-結(jié)相互作用的影響，根據(jù)地震作用下的受力和變形情況，調(diào)整剪力墻的布置位置和數(shù)量，以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。為增加結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，可以考慮在結(jié)構(gòu)剪力墻的上部設(shè)置上接地端拉梁，這樣可以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。根據(jù)最終確定的布置方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)剪力墻的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括確定剪力墻的尺寸、配筋、連接方式等。在施工過程中，需要按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)剪力墻的施工，同時(shí)，對結(jié)構(gòu)剪力墻進(jìn)行監(jiān)控，確保其在使用過程中的安全性和可靠性。通過改變剪力墻的布置方式，可以使剪力墻在整個(gè)結(jié)構(gòu)中更加均勻地分布，從而減小剪力墻的受力集中現(xiàn)象。

2 基于山地建筑結(jié)構(gòu)的高層建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

當(dāng)樁-土相互作用體系受到地震作用時(shí)，會產(chǎn)生較大的內(nèi)力和變形。尤其是在近場地震作用下，結(jié)構(gòu)上接地層的層間位移可能會超過規(guī)定值，同時(shí)在靠近上接地層的樓層也會出現(xiàn)地震反應(yīng)的突變情況。為了確保山地建筑-樁-土相互作用體系在地震作用下的受力和變形滿足規(guī)范要求，研究通過在上接地層設(shè)置與基礎(chǔ)相連的拉梁以及增大上接地端側(cè)剪力墻的覆蓋率，以提升建筑的抗震性能。為驗(yàn)證基于山地建筑結(jié)構(gòu)的高層建筑抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的有效性，研究選取三條地震波對優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中包括TH1TG波、IMPVALL 波以及人工波。場地的地震波，同時(shí)選取某山地高層建筑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先對設(shè)置拉梁前后的上接地層間位移分布進(jìn)行驗(yàn)證，分布曲線如圖2所示。由圖2可知，通過設(shè)置拉梁，結(jié)構(gòu)上接地層的位移變形更加均衡，減少了接地端和非接地端的層間位移差異。其中，設(shè)置拉梁前，TH1TG波的位移變形差高達(dá)0.0041m。設(shè)置拉梁后，TH1TG波的位移變形差僅為0.0033m。同時(shí)，MPVALL 波以及人工波的位移變形差也相應(yīng)降低了0.0002m、0.00003m。說明拉梁設(shè)計(jì)可以提高山地建筑的抗震性能，確保其在地震作用下的安全性和可靠性。

圖2 設(shè)置拉梁前后的上接地層間位移分布

研究繼續(xù)驗(yàn)證更改結(jié)構(gòu)剪力墻布置的有效性，采用高層建筑結(jié)構(gòu)層的剪力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，更改剪力墻布置前后的結(jié)構(gòu)層剪力圖如圖3所示。與原結(jié)構(gòu)相比，將剪力墻平均地布置到上接地端側(cè)后，結(jié)構(gòu)在上接地層以及以上樓層的層剪力均有所減少，而在掉層樓層的層剪力增大，且隨著掉層樓層的減小，層剪力逐漸增加。由圖3可知，將剪力墻均勻布置到上接地端側(cè)后，建筑結(jié)構(gòu)在上接地層及以上樓層結(jié)構(gòu)的層剪力均有所下降。而在掉層樓層，層剪力有所增加，并且掉層樓層越低，層剪力越大。其中，TH1TG波在更改剪力墻布置前的最大層剪力為7265kN，更改后降低至6408kN。IMPVALL波與人工波的最大層剪力在更改剪力墻布置后也分別降低至5524kN、4839kN。同時(shí)，在掉層樓層的第一層中，TH1TG 波的層剪力從3480kN 提升至4866kN。MPVALL 波的層剪力提升了近1000kN。說明這種改變布置方式的設(shè)計(jì)策略可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，減少上接地層的層剪力，同時(shí)提高掉層樓層的層剪力，以滿足地震作用下的安全要求。

圖3 更改剪力墻布置前后的結(jié)構(gòu)層剪力圖

3 結(jié)語

抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了當(dāng)前山地高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要議題。研究為了對山地建筑結(jié)構(gòu)的高層建筑進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了樁-土相互作用分析模型，并提出了上接地層拉梁和改變剪力墻布置的優(yōu)化方法。結(jié)果顯示，設(shè)置拉梁后，TH1TG 波的位移變形差從0.0041m 降低到0.0033m，MPVALL 波和人工波的位移變形差也相應(yīng)降低了0.0002m和0.00003m。同時(shí)，更改剪力墻布置后，TH1TG波的最大層剪力從7265kN降低至6408kN，IMPVALL 波和人工波的最大層剪力也分別降低至5524kN 和4839kN。這些改變可以大大提高山地建筑的抗震性能，減少地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。