高烈度區高層房屋設計研究

陳峰

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江 杭州 311122

地震一直以來都在威脅人類的生存，即使在低層建筑的人們都難以在地震來臨的時候順利逃脫，更不要說高層建筑里的住戶了，強震一旦來臨，經濟和生命都會遭受重大損失，所以抗震建筑的設計刻不容緩。假如依據原來抗震設計，把不變的“設防烈度”當作抗震的設計依據，那么是不符合當代高烈度區高層建筑設計的。高烈度區房屋設計中的最關鍵也是最難的點就是怎樣抗震。從以往的經驗來看，在相同高度的建筑條件下地震設防的烈度低那么，它設計的結構抗震等級則相對較低，反之則需結構的抗震等級需要程度高。本文主要是對高烈度區高層房屋設計，所以就高烈度區高層建筑而言，第一，一定要牢牢抓住它的結構特性，先使用一般的抗震設計進行一個輪廓結構設計；緊接著利用三維模型，使用Ritz 向量法去探索它的特殊點；第三利用粘滯流體阻尼器，進行進一步的減震結構設計，最后研究地震作用下抗震體系和減震體系的動力反應。

1 項目的前期結構設計

在項目剛剛啟動時期，怎樣選擇準確的結構體系和結構形式是影響整個項目的關鍵。這兩項的選擇是結構設計的關鍵點，假如結構體系又或是結構形式選取不合理那么就會導致結構設計出的建筑物外形給人比較差的觀感，不僅如此，還在很大程度上會導致工程造價遠遠高于預先的價格。一般來說，我們遵守的一個規則是“物美價廉”，也就是說在保證結構安全的情況下要以最低的價格拿下工程，因此，這時結構設計師就要發揮自己的作用了，結構設計師要把自己優秀的以往工程經驗以及自身扎實的力學概念拿出來。假如一個工程沒有自己動腦想出來特點，只是一味的模仿他人的結構設計圖更有甚者直接照搬照抄他人的結構設計圖，那么這個工程在大部分的情況下都會導致大量的浪費。在建筑設計中，有很多的設計工作人員都把圖紙上的內容只當作圖紙上的內容，他們無法把自己投入到一種特定的環境中去工作，也不去考慮不同特點的建筑需要什么樣不同的結構[1]。舉個例子來說：在進行第一層設計的時候，都是一些基礎性的設計工作人員，他們對于第一層的設計也只是在明白基礎常識的基礎上首先考慮獨立基礎然后第二考慮筏板基礎。當基礎設計結束后，由后期技術人員檢查時，發現這個地基根本就可以去支撐上面建筑的重量，但是地基的承載力也相差不是特別大，那么他們可以考慮對地基進行一個處理；假如地基承載力和上部結構重量相差很大的話，那么他們可以用樁基礎或者樁筏基礎，這些都能夠對工程造價造成浪費。但是當地基條件可以達到要求時，那么就不再需要對地基進行補充，那么這樣就能夠在很大程度上節省工程建筑造價（約10%）。接下來到了上部結構設計，假如上部結構中的結構體系需要使用框剪結構，但是它并沒有使用框剪結構而是使用了框架結構，并且框架結構可以達到規范的要求。那么此時雖然框架結構也能夠滿足需求，但是它的工程造價必定會在原先的基礎上有個大幅度的提升。與之相反的則是本來需要框架結構就可以很簡單的就達到目標時使用了框剪結構，那么就會與上文一樣，也會導致工程造價的增加。到了這里，我們又可以追溯到前文，就怎樣選擇正確的結構體系這個問題。對于這個問題而言，結構設計的設計人員必須要擁有豐富的設計經驗以及扎實的設計理念。

當然作為一個結構設計師，他還必須要知道大體的結構造價組成。這個經濟計算，通常來說都是以單位面積鋼量為主和混凈土折算厚度為輔。再舉個例子來說：就是高層建筑物的結構設計中通常來說都會有結構構件的大體用鋼量區間:板為10kg/m梁為13~18kg/m、墻柱為18~25kg/m2在這里就可以算出單位面積的鋼量，就可以很容易得到這部分的大概工程造價[2]。

2 項目的主體結構設計

在剪力墻的結構設計中，給出的結構設計方案，必須要有一個較為空閑的空間，當不適合設為剪力墻而卻適合框架柱時，這樣的結構體系能夠被認為是稀少的框架柱的剪力墻結構。這樣的結構體系在設計的時候一定要核實下面的幾個方向：首先雖然這個結構體使用的是框架柱結構，但是它仍然屬于剪力墻結構，剪力墻的抗震等級是根據純剪力墻結構的抗震等級而確定的；框架柱結構的抗震能力甚至來說高于剪力墻結構的抗震能力，又亦或是根據框架剪力墻結構來確定框架柱的抗震水平。在設計該結構的過程中，應該使用包絡設計，兩種情況：一是考慮框架柱的剛度的影響，根據框架剪力墻結構設計出來的框架柱配筋；二是不考慮框架柱影響所有地震作用，完全由剪力墻承受根據剪力墻結構設計出來剪力墻的配筋。

由于時代的發展，為了保持街道的流通，街道停車越發規范化，所以這對停車位的要求也就越來越多，越來越高。大型商場和小區則需要設置標配的地下停車場，以滿足人們的停車需求[3]。從目前買房的趨勢來看，小區有無規范的停車場十分影響買房者的選擇，它占據著十分重要的地位。因此開發商為了更好的出售房屋，則必須滿足停車需求，一般小區現在都設置有地下室來。地下室的作用并不是單一的，它一般以機動車停車為主，一小部分停機動車以及雜物存儲室等。后兩部分的地下室存放位置可以在小區主樓下面，但是機動車的停放位置需要較大的和比較規范的空間，就設在小區綠化的下面，這樣設計地下室的話，那么整個小區的地下就會被挖空。因此小區的主樓必然要使用措施來使得地下室頂板符合固端的需求。通常小區會把地下室頂板下降10~15m，是為了小區綠化的植樹覆土需要以及水管灌溉需要，因此地下室室外的頂板就和小區主樓的頂板產生了很大的落差。作為上部結構的嵌固端的地下室頂板它主要為了能夠在發生地震時可以把水平力進行一個快速的傳遞，這時就需要把高差處的框架梁進行一個結構處理[4]。第一，要把框架梁的抗震水平來一個提高處理，把梁加寬加腋，把縱筋進行加強并且對箍筋進行加粗加密處理，在歷經上述的一系列加強處理后，就能夠滿足結構需求。地下室頂板的設計還應該依據房屋的需要，它是不是應該考慮防車荷載，假如需要考慮這個因素，那么就需要使用相對大的區隔板來設計，因為這樣設計能夠降低上部結構在設計中需要考慮的因素，直接可依據常規的情況考慮上部結構設計，但是施工荷載還是需要考慮的。地下室結構的設計還需要考慮的一個非常關鍵的地方就是地下室外墻，它通常情況下是1m墻體單元，根據上部的接口和下端固結的受力狀況而進行具體研究。這樣的模型在一般情況下，經常會忽視框架柱的支座功能按照大部分已經建好的小區地下室的觀察在地下室外墻中間產生裂縫的狀況很多，因此地下室外墻的設計必須要對內部的分布筋區域做好加強工作。

高烈度區的高層房屋的結構體系一般都是以剪力墻結構為主體的。通常的建筑結構設計都是把樓梯的部分設置在靠近墻壁的位置，然后在結構設計的時候把樓梯間設計為剪力墻的結構體系，因為剪力墻的兩邊并無樓板連接，所以在結構研究是通常把這種情況視為不可以快速傳遞水平力，也就形成了理論和實際不符。于是就可以考慮其他方法，也就是把剪力墻撤消，把它變成框架柱,根據兩個狀況對結構進行包絡設計。如果想要在相同的建筑方案上保證建筑多面開窗的需求，那么就把建筑外壁設計成凹凸狀,使它形成局部的對比，這時還應該把中間的樓板厚度和配筋做一個加強工作[5]。剪力墻結構設計中最難也是最關鍵的點就是連梁設計，連梁設計的計算模型和它的計算結果總是有著不可避免的錯誤。連梁設計既可以被當成是梁單元輸入還能夠被當成剪力墻開洞成果。剪力墻結構通常能夠認為連梁的凈跨度與連梁的截面高度的比值若大于5則被稱為弱連梁。這時能夠使用梁模型輸入;而本文所提到的高烈度區的強連梁則可以使用剪力墻開洞形成為強連梁。一般情況下，剪力墻結構體系中的剪力墻的墻肢長度最好不要高于8cm,因為它不適合太長，8cm可作為一個界限。假設剪力墻的墻肢長度太長，則會導致墻體剛度過大，延性也就越差，在抗震時發揮的作用也就不大。如果連梁根據梁單元設計的時候很容易就能夠看出連梁的剛度低于墻體單元，那么這時結構的側向位移較大連梁配筋相較于墻肢配筋則比較小;若連梁根據墻體開洞輸入，那么連梁是墻體部門的結構的側向剛度大而位移則小，連梁配筋相對于墻體配筋而言則比較大，與原先剛好相反。當地震真的出現的時候，連梁則是剪力墻結構的首要防御陣地，它可以出現裂縫，因此連梁應該設置小一點比較好，這樣能夠讓剪力墻結構的薄弱環節轉移。假設連梁設置的過大，此時就可以想到設水平縫隙來處理地震帶來的損壞。與此同時連梁的上部還不合適次梁，假如真的無法解決時，則應該根據重力荷載作用來做一個縱筋加強結構。剪力墻結構設計中經常發生問題的是連梁的超筋，因此，到底應該怎幺來保證連梁的強剪弱彎，連梁朔性發展后剩下的構件也需要擁有一定的抗震水平，這是非常重要的。第一，要使用調幅，倘若調幅不可以符合，那么就減少連梁的截面；假如都不可以通過計算，那么連梁兩端在進行點絞時就需要把連梁兩側的墻體配筋進行與之對應的變大;最后，在連梁配筋時不可以沒有原由的去擴增連梁配筋。

在設計剪力墻結構時，剪力墻結構的周圍通常要設置剪力墻所以不適合設計轉角陽臺以及轉角窗，假如設計方案沒有辦法規避結構，那么屆時就破壞了剪力墻結構的連續性及封閉性，在地震發生時，就不能很好的發揮出抗震作用，對于抗震是非常不利的。既然這個方案必須帶有這兩個結構，那么這時就可以想其他的辦法來彌補這個缺陷，可以采用框架梁或是暗梁來鞏固樓板這個方法來加強樓板作用和提升轉角窗及轉角陽臺兩端墻體的穩固性，與此同時，還要對樓板加厚配筋雙重進行處理。

3 項目的基礎結構設計

一個建筑在進行基礎設計時，首先結構設計師拿到的第一份資料就是地質勘察報告。在對一個建筑進行結構設計時，一定要參考周圍建筑物的結構設計，避免不必要的損失。有句話叫做：“基礎不牢，地動山搖”我們都知道無論做什么，打好基礎都是十分重要的[6]。因此在工程設計中，基礎設計在它的所有設計中都占據著十分重要的作用而且占據著工程造價的較高比重，所以結構設計師在進行基礎設計的時候既要保證質量也要保證價格，做到物美價廉，這是每個結構設計師都應該具備的個人技能。結構設計師在看過地質勘察報告后要在第一時間明確基礎的型式，需不需要思考液化作用。假設地質勘察報告上展現的地質狀況十分可觀那么就可以使用獨立基礎或者筏板基礎，這時就可以盡情展現地基土的優勢，結構設計師會首先考慮地基土的承載力這種基礎型式，基礎埋深達到要求和承載力需求后，基礎要盡可能的淺埋。假設基礎設計時用的是筏板時，筏板在配筋時就能夠不去思考裂縫帶來的不利。若地基承載力不可以達到上部結構的荷載是可以思考采取樁基礎型式。假設一項工程的設計存在地下室且上部沒有塔樓這個情況時則需要考慮抗浮設計。抗浮水位通常是按照地質勘察報告上的情況來確定的，如若地質勘察報告上不明確，那么則通常是按照室外地坪下0.5m來考慮的抗浮的，地下室抗浮通常首先考慮的是自重，假若結構的自重不能達到抗浮的需求，則可以通過添加配重和設置抗拔樁這兩種方式來解決結構不滿足自重的問題;另外一個就是要在設計地下室底板時思考地下水位的作用。

4 結論

由于城市化進程的推進，土地資源的占用，目前高層結構設計目前無論是民用還是商用都是主要的建筑方式，但是這種方式存在著很大風險，抗震作用差，防風險能力差，因此一旦發生地震等自然災害時，它的破壞性和損壞性是十分巨大的，損失慘重。綜上所述，本文提到的高烈度區高層房屋建筑如果使用一般的設計方法來進行結構設計，那么它的難度是十分大的，并且結構的整體經濟性也不好，所以，必須要尋找全新的結構設計理念。本文就根據前期設計、主體設計以及基礎設計這三個方面來詳細分析和解釋了該怎樣進行一系列的結構設計。首先要在常規設計的基礎上做出判斷，不滿足時就做出相應的措施解決存在的問題，并且一定要把抗震放在重中之重，不管怎樣來說，高烈度區的高層房屋建筑最需要面對的問題就是抗震，抗震是高層建筑中需要解決的首要“敵人”。