工民建結構設計中的抗震設計研究

谷永濤

(上海市城市建設設計研究總院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230000)

國內地震發生次數較多，表現出較強的地震突發性、位置隨機性、災害不可預測性等特點，需要加以防控，減少地震損失。當前，各國均在研究建筑結構的抗震形式，以此增強工民建整體的抗震能力，積極防控地震問題，增強工民建結構的平穩性，盡可能地防控地震風險。抗震結構設計期間，設計師需明確抗震結構的組成，從梁、柱等多個方面，給出抗震設計方案，以此增強抗震結構性能。

1 N工程概況

N項目周邊交通發達，主建任務是1#高層，預計建筑高度為198.12m。N項目的各項設計目標，如表1所示。

表1 N項目各項設計目標

在地質勘察期間，N項目施工范圍內，未見不良地質問題，參照工程勘察的相關要求，認定N項目施工區域內，正處于“抗震一般”類型的地段。

2 N建筑抗震設計實踐分析

2.1 抗震結構設計的關鍵點

2.1.1 以建筑功能為出發點

發生地震時，震源位置會匯聚較多的地震波。如果建筑項目與震源相距不遠，震源波會形成一定沖擊作用，使建筑結構出現不同程度的損壞。為此，以往期實際發生的最強地震為參考，積極控制震源波帶來的沖擊作用，降低建筑結構受損量，成為抗震設計工作的關鍵話題。值得注意的問題是建筑項目的底部位置，均應擁有較強的抗震性能，以此保證建筑結構的平穩性。風壓、降水等自然條件，會形成一定荷載作用，在一定程度上會削弱工民建結構的性能，從平穩性、防護能力、耐用性各個方面，引起建筑結構出現損壞。為此，抗震設計期間，設計者需綜合考量各類因素，以增強建筑功能為目標，給出全面的抗震設計方案，以此提高結構抗震能力[1]。

2.1.2 依據結構形式給出抗震設計

一般情況下，鋼混材料用于抗震設計時，需明確給出各位置的參數。設計人員應盡量控制配筋率參數，以此保障建筑抗震性能。在橫縱兩類墻體結構中，需進行防震縫設計。屋頂樓梯、電梯、建筑頂層等位置，進行結構聯合設計，以此增強結構整體的抗震效果。

2.1.3 合理分配建筑場地資源

一般情況下，建筑結構抗震表現，主要關聯于建筑場地。為此，工民建進行抗震規劃時，會考慮多個因素。1)建筑結構設計時，從建筑外部組成、內部構造、建筑間距各方面加以考量。針對有礙于抗震設計、不利于人們撤離的物品，進行全面清理；2)應對地震問題，設計相應的安全出口，從數量、寬度等多個方面，進行疏散通道設計，保證疏散質量；3)依據工程實況，進行地基處理，以此改善地基性能。

2.2 抗震設計方法

2.2.1 可靠性設計方法

地震事件具有“事發偶然性”“地點隨機性”等特點，會引起建筑結構出現多種不可控問題。為此，以結構可靠性為出發點，進行結構抗震設計，是增強結構抗震性能的關鍵措施。可靠性設計期間，主要是利用“可靠度理論”“可靠指標”，綜合評價特定結構的性能，分析其內在的多種因素。利用特定的評價方法，綜合測定結構可靠性。此種設計方法，主要是簡化結構方案，使用靜力結構的設計方案，解決各類結構動力分布問題。此種設計方法，多用于工程初期設計環節，用于判斷結構性能，作為改善方案的方向[2]。

2.2.2 承載力設計方法

以結構承載性能為考量因素的設計方法，在國內抗震設計中使用次數較高。設計人員會借助概念設計法，初步確定結構設計方案，恰當選取“折減”“放大”等類型的系數，判斷結構承重能力。此種設計方法，旨在利用結構承載性能，使結構在地震條件下保持彈性狀態，以此減少地震帶來的沖擊作用，具有較高的經濟性。在實踐工程設計期間，主要使用“振型分解”“底部剪力”等方面，進行抗震規劃。承載性設計，多用于需要彈性設計的結構類型，不可用于塑性狀態的結構中。

2.2.3 位移設計方法

位移控制方法，是以結構形變、位置改變為方向，以此判斷結構方案在各類地震條件下的受損情況。1)位移控制的設計宗旨，是借助單體進行地震位移量的判斷，以此推斷出建筑結構可能發生的位移量。測算結果與位移限值進行對比，以此評價結構設計的抗震能力。此種設計方法的操作性較強，在高烈度地震區域內，具有一定適用性；2)能力分析法是借助結構底部的剪力表現、結構頂處的位置改變量，進行抗震分析。此方法分析過程簡單，是參照國內的抗震設計要求，初步評估建筑結構的抗震能力。使用有限元程序，比如ANSYS、 ABAQUS等，測定在不同地震條件下，建筑結構的“底部剪力表現”“頂部位移改變量”，進行抗震分析。此方法多用于結構設計方案的性能評價，可設計多種地震條件，給出結構設計的抗震表現[3]。

2.3 N項目結構選型

2.3.1 選擇豎向承重結構類型

豎向承重結構的設計任務，主要是在豎向、橫向兩類荷載條件下，保持整體結構的平穩性，減少結構出現變形、位移改變等問題。通過豎向承重結構，將作用力轉移給基礎，以此抵消荷載帶來的影響。為此，在結構設計期間，需保證豎向承重結構的性能。豎向承重結構的設計方案有多種形式，具體包括：“框架型”“剪力墻型”“框-剪型”“筒體型”。

1)框架結構類型，主要使用橫梁、立柱兩類構件進行承重設計，采取“剛接”“鉸接”兩種方式，組合成承重骨架。此結構的優勢：結構完整性較強，具有較高的空間劃分自由性，便于進行空間布置，能夠組成較大的空間，材料輕便，成本價值較高。此結構的使用限制：不宜用于>20層的建筑項目中，地震頻發地段的結構層數需≤10層。

2)剪力墻結構類型，是指在橫、縱兩個方向具有承重性的結構。此結構的抗震優勢是：抗側移能力較強，整體抗震性優異，結構承載性能、抗震表現較強。此結構使用時，會限制空間規劃的自由性。此結構抗震表現優異，多用于高層建筑。

3)框-剪結構，此結構利用框架與剪力墻的兩個組成，共同承擔豎向、橫向的荷載作用。此結構綜合性能介于框架、剪力墻兩者之間，擁有框架結構空間分配的自由性，兼具剪力墻較強的抗震能力。此結構在抗震設計中的使用量較高。

4)筒體結構，此結構是在剪力墻周邊，建立豎向筒體，筒體用作抗側力的部件。筒體結構表現出較強的剛度，抗側移、自主承載性能各方面，均有優異表現，多用在高層建筑項目。此結構的空間劃分自由性較好，成為當前高層結構設計的主要形式。

N項目的建筑功能為“綜合體”，參照建筑組織的“成本控制”思想，需選擇豎向承重結構，以此保證結構布置的簡約性，增加空間設計的自由性。N項目的結構高度為156.68m，參照結構設計的相關要求，此高度的防裂度級別為“6”。考量建筑項目自身性能較好，明確豎向承重結構類型，選定“框-筒”形式進行結構設計。

2.3.2 選擇橫向承重結構類型

橫向承重體系，主要用于承擔豎向荷載、連接各豎向組成形成的水平荷載，具體包括：樓蓋、屋蓋等。此承重結構的設計，能夠有效承擔豎向荷載，將荷載回傳給豎向結構，以此保持豎向結構的平穩性，給予豎向結構相應的橫向支撐作用，有助于增強橫向、豎向兩類承重結構的完整性，防止承重體系出現失穩現象。1)肋梁樓蓋。此結構主要含有“梁”“板”兩個組成，將板、梁組合而成，梁多數是采取雙向正交設計方式，板分割成支撐結構，設計成“連續板”“單塊板”的形式。依據梁、柱的組合形式，肋梁樓蓋含有多種類型：單側型、雙向型、井字型等；2)無梁樓蓋。此結構形式，在樓板下方未設梁，樓板與墻柱相互支撐，樓面荷載從樓板傳輸給墻柱的橫向承重組成。此結構設計優勢：結構簡單，美觀性較強，工程操作簡便，能夠有效調整樓層高度。此結構使用時，要求樓板厚度達到規范，會消耗較多的樓板材料，承重性較大，承載力較差。此結構多用于高層建筑中；3)組合樓蓋。此結構是使用鋼板、鋼梁等多種類型的構件，聯合現澆模板組合而成的樓蓋結構。此結構表現出“強度大”“重量小”“抗震能力優異”“工程操作簡便”等優勢[4]。參照N項目的空間規劃、工期、工藝各項因素，橫向承重結構施工時，擬用現澆工藝，選擇鋼混材料，制成“肋梁樓蓋”結構，以此組成橫向承重體系。

2.3.3 選擇底部承重結構類型

底部承重組成，多數是指建筑項目最底部的結構。底部承重設計，是建筑結構設計的關鍵項目，能夠承擔建筑結構的全部荷載，當結構出現損壞、形變量較大等問題時，均會引起結構失穩、結構損壞等現象。選擇多種類型的基礎結構，會降低建筑結構的整體性能。1)獨立基礎結構。此結構平面有多種外形特點，包括“圓形”“矩形”等。此結構的優勢為：基礎埋置位置不深、材耗量不高、成本不高、工藝操作簡單、工期不長、無需進行地基特殊處理；2)條形基礎。將柱下、墻下等位置的基礎結構，設計成連續型、多個矩形的基礎結構。當柱、墻承受的荷載值較高，地基實際承受的承載能力不大，需要較大的基礎底面，制作成獨立基礎。此種結構設計的經濟性較差，極易出現相鄰基礎間隔不大的問題，增加施工操作的繁瑣性。在此種條件下，可使用條形基礎進行施工；3)筏形基礎。在承臺位置進行柱、墻的支撐設計，在承臺底部位置添加多個樁，組合成一個基礎結構，用于承載上部區域的荷載作用。借助基樁作用，將作用力傳送至地基持力層。此基礎埋置深度較大，承載性能優異、結構形變量不大、具有較強的抗拉、抗拔性能。

依據N項目的周邊條件，建筑項目的絕對標高參數為57.158m，初步確定21.58～30.56m位置作為建筑持力層。如果基礎埋深參數較大，不宜選擇較淺的基礎結構。當埋深參數較大時，需考量地下水位可能帶來的抗浮作用。建筑項目樓層較高，自身重量較大，相應增大了承重體系的性能要求。為此，N項目底部承重的結構類型，應選擇“樁基礎”進行結構設計。

2.4 確定N項目的構件參數

依據構件尺寸的設計方法，逐一給出N項目抗震設計的構件參數。使用線上平臺，持續優化構件參數，綜合獲取“剪力墻”“柱”等重要構件的參數方案。N項目剪力墻的厚度≤900mm，900mm的墻體結構設計在結構首層。樓層增加時，墻體厚度逐層減小，墻體頂層的墻體厚度≥300mm。柱的截面各邊長參數≤1600mm，邊長為1600mm的柱體，位于建筑首層。樓層增加時，柱的邊長逐層變小。頂層柱體邊長≥900mm。核心筒剪力墻的材料類型、布置方法，與框架柱的工藝方案一致：1—10F的材料級別為C60，+5層材料級別降低一個層次，材料最低的級別為C30。剪力墻、柱兩類構件的豎向受力鋼筋，材料強度取HRB400。如表2所示，是各層剪力墻參數、柱參數、材料強度的設計方案。

表2 各層剪力墻參數、柱參數、材料強度的設計方案

2.5 結構建模設計注意事項

將N項目的抗震設計參數導入模型，模擬驗證其抗震性時，抗震建模分析工作，主要關注如下各類問題。1)添加建筑圖軸網各項數據時，如果出現無用的軸線、節點等問題，需人工進行清除處理，防止增加建模運算量；2)設計加腋梁期間，程序中并未設計加腋梁的參數、種類等信息，需設計人員自行添加梁構件的信息，增設加腋梁的類型，逐一填寫構件參數；3)建筑結構的樓梯，無法進行建模。參數導入時，需將樓梯位置的樓板參數改為“0”，同步填寫各樓梯的荷載參數；4)如果工程有人防設計項目，需在標高“0”m以下范圍的樓層處，添加人防荷載；5)參照增加節點抗震性能的設計理念，在剪力墻、梁體連接的位置，添加80%鉸接，以此分散節點位置發生的彎矩。如果次梁剛性較高，可據實進行全鉸接處理；6)結構建模完成，需查看各樓層的材料參數、材料性能、鋼筋型號等各類參數添加的準確性；7)檢查結構模型設計情況，檢查項目有：剪力墻、柱體之間存在的重疊情況，查看梁體、樓層之間存在的懸空問題，排除墻洞出現的超高現象，判斷荷載規范性等[5]。

2.6 結構模型的抗震設計控制方法

2.6.1 位移比

位移比的抗震設計控制理念，是指測定樓層豎向承重組成的橫向位移最大值，與所在樓層橫向位移平均數之間的比值。抗震設計中，設定此指標進行抗震控制，旨在保持主體結構的彈性特點，防止豎向承重組件發生裂縫問題，合理消除結構平面設計的不規整情況，嚴防出現較高的扭轉現象，保持結構性能的平穩性。在驗證位移比時，需分析偶然偏心因素，同步使用強制剛性樓板給出假設。如果位移比>1.2，需判斷雙向地震的設計需求。參照國內抗震設計的相關要求，在橫向地震力條件下，同步判斷偶然偏心帶來的不利作用，高度不足150m的高層建筑，位移比應介于1.2與1.5之間，高于150m的建筑項目，位移比應處于1.2～1.4之間。N項目位移比的控制方案，如表3所示。

表3 N項目位移比的控制方案

2.6.2 層間位移角

層間位移角具體表示在地震條件下，各樓層出現的橫向位移最大值，與樓層高度之間的比值。此參數控制理念，與位移比的抗震控制思想一致，均是保持結構擁有較強的剛度，有效控制位移量。相比位移比，在測定層間位移角大小時，無需考量偶爾偏心問題。如果層間位移角較大，需采取多種措施，進行位移調整。1)適當增加豎向承重組成的截面參數；2)適當增加材料強度級別。N項目的位移角參數應控制在1/768以內，以此提高抗震性。

2.6.3 周期比

周期比，是指結構發生扭轉時的自振周期T1，與平面移動周期T2的比值。當T1與T2參數相近時，在振動偶聯的負面條件下，地震中的結構扭轉量會明顯增加。參照國內抗震設計的相關內容，建筑高度不足150m時，周期比參數應≤0.9。建筑高度大于150mm時，周期比參數應≤0.85。此參數控制期間，能夠保證豎向抗側力組件分布的均勻性，使建筑結構擁有充足的抗扭剛度，以此有效抵消地震作用帶來的結構扭轉問題，防控平面、扭轉兩種結構變動形成的耦聯效應，以此保證結構抗震能力[6]。如表4所示，是N項目周期比的取值方案。

表4 N項目周期比的取值方案

2.6.4 層間剛度比

層間剛度比，是指各樓層對抗結構側移問題的剛度之比。抗震設計中，設定此參數控制項目，旨在保持豎向承重構件分布的規整性，防止出現薄弱層問題。依據抗震設計的相關要求，如果層間剛度比的設計方案不合規，可適當控制相鄰上層豎向抗側力結構的表面規格，相應調整材料強度級別。如表5所示，是N項目梁剛度的調整方案。

表5 N項目梁剛度的調整方案

2.6.5 層間承載力的比值

各樓層之間的承載力之比，是指單層各項抗側力結構的承載力作用之和，與上一層全面抗側力結構的承載力總和之比。此控制參數，主要用于判斷豎向不規則結構的性能，主要排查結構薄弱層問題。如果此項參數不合規，可采取的工藝優化措施：增加薄弱層的配筋量，提高材料強度、增大構件截面規格。N項目檢測時，發現各項數據應高于規范值0.75，并不存在薄弱層問題。

2.6.6 剪重比

剪重比具體表示在橫向地震條件下，結構承受的“剪力”與“自身重力荷載”之比。當結構基礎周期高于3.5s時，結構檢測發現薄弱層，需進行剪重比控制。在實際控制期間，主要由底層進行剪重參數調整，采取由下至上、逐層增加的形式，以此增加剪重比。如果結構為柔性，整體結構的層間剪力較小，剪重比的調整方法為：增加豎向抗側力結構的截面大小，更換強度更大的材料。N項目剪重比測定時，測定結果均處于1.15規范值以內，項目抗側剛度較高，具有一定抗震能力。

3 結語

綜上所述，工民建各類項目進行的結構抗震設計，具有較強的安全防護功能。N項目進行抗震設計時，以結構性能為出發點，明確了各項設計方法，結合自身項目需求，綜合選定抗震結構。參照限額設計內容，檢查工程抗震設計的規范性。