基于山地建筑結構的高層建筑抗震優化設計

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

近年來，我國城市化進程的步伐愈發緊湊，經濟發展勢頭強勁，在這一背景下，高層建筑在山地地區的建設規模逐步擴大，成為城市天際線的一部分。為了確保高層建筑在地震發生時能夠保持結構的完整性和穩定性，抗震優化設計成為當下山地建筑結構設計的關鍵課題[1]。山地地區獨特的地質條件和地形特點，為高層建筑的抗震設計帶來了前所未有的挑戰。首先，山地地區的地質條件復雜多變，包括地殼構造、地震活動性、地形地貌等，使得山地地區的高層建筑在地震時承受的地質風險更高；其次，山地地區的地形起伏較大，高低落差明顯，導致建筑物所承受的風荷載和地震作用力也相應增大。此外，山地地區的地形條件還可能引發地質災害，如滑坡、泥石流等，對高層建筑的安全構成威脅[2-3]，研究旨在對山地建筑結構的高層建筑抗震優化設計進行研究和探討。首先構建了樁-土相互作用分析模型實現動力特性分析，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。通過對山地建筑結構的高層建筑抗震優化設計的研究和探討，以期推進山地地區的高層建筑抗震設計理論和技術的推廣與應用。

1 基于山地建筑結構的高層建筑抗震優化設計

1.1 樁-土體系的相互作用動力分析模型構建

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模型，其可以充分展示出土體在受到荷載作用時的變形特征[4]。Mohr-Coulomb模型遵循Mohr-Coulomb屈服準則，根據這一準則，當土體中某一位置的剪應力達到其抗剪強度時，該位置的土體就會發生破壞。在土體建模過程中，需要注意以下幾個方面：一是要充分了解土體的材料性質，包括其抗剪強度、密度、含水量等基本參數；二是要合理選擇模型參數，以便更準確地反映出土體的力學特性；三是要根據實際情況確定荷載條件，以便更真實地模擬土體在實際工程中的受力狀態。Mohr-Coulomb強度準則計算如式（1）所示。

式中τ代表剪切強度，Pa；φ為土體摩擦角，°；c表示土體粘聚力，Pa；σ表示法向應力，Pa。

接著進行結構分析，首先需要構建一個完整的結構模型。研究采用Abaqus有限元軟件中的梁單元對建筑上部結構的梁和柱進行模擬，梁單元的分析原理基于主要纖維模型，可以準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，為后續的結構設計提供依據。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行為，可以更好地反映實際結構中鋼筋和混凝土的協同作用。在此基礎上，研究使用Von-Mises屈服準則來描述這種等效材料的塑性變形特性，同時采用相關聯流動規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力計算如式（2）所示。

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

式中σx代表屈服后的材料單軸應力，Pa；εxp代表單軸塑性應變。

在應力-應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構模型進行耦合，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差異，當二者承受的荷載超過一個限值后，兩者之間的交界面會出現滑動、擠壓等現象。完全耦合的接觸設置無法真實地反映樁和土界面的實際情況。因此，在樁-土結構相互作用分析中，需要考慮樁與土的接觸效應，并進行樁-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主控面與一個從屬面，并通過材料剛度來進行劃分。

由于樁的剛度通常比土體大得多，因此研究將樁的側面定義為主控面，將土的側面定義為從屬面，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，只有兩個接觸面相互壓緊時，才能夠傳遞法向壓力。而在定義切向作用時，假設接觸面上存在Coulomb 摩擦，并且規定了摩擦系數和極限切應力。當實際切應力小于極限切應力時，則認為接觸面之間沒有相對位移；而當實際切應力大于極限切應力時，接觸面就會發生相對位移。通過樁-土體系的相互作用動力分析模型的構建，研究進行動力分析后，可以得到受力和變形結果。對分析結果進行評估和解讀，分析結構的抗震性能和穩定性，以實現進一步的優化設計和改進。

1.2 樁-土相互作用體系優化設計

1.2.1 上接地層拉梁設置

在山地建筑中，由于地形的不平坦和地震的影響，結構的變形和受力會出現不均勻的情況。為了優化山地框架剪力墻結構上接地層和掉層部分的受力情況，使結構的變形滿足規范要求，研究在上接地處中間跨設置了拉梁。設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，與基礎的上端相連接。確定拉梁位置時，需要考慮整體結構布局以及地震力的傳遞路徑，通過分析結構的荷載傳遞和抗震需求，確定拉梁的尺寸和形狀；其次，進行布置方案分析。這一步驟包括確定拉梁的具體尺寸和形狀，以適應結構的荷載傳遞和抗震需求。在優化布置時，需要考慮拉梁與剪力墻、樓板和基礎的連接形式，以及相應的連接細節設計。在設計拉梁時，需要考慮樁-土-結相互作用的影響，這涉及樁的選型和布置，以及拉梁與樁的連接方式。樁-土-結相互作用的合理考慮可以提高結構的抗震性能；最后，設計連接細節是設置上接地端拉梁的重要步驟。這包括確定連接方式、連接材料和連接構造等。通過詳細的連接細節設計，確保拉梁與基礎、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，提高整個結構的抗震性能。上接地層拉梁設置示意圖如圖1所示。

圖1 上接地層拉梁設置示意圖

1.2.2 改變結構的剪力墻布置

為了優化高層建筑結構上接地層和掉層部分的受力情況，研究對結構剪力墻的布置進行了改變。剪力墻主要集中布置在下接地端側，現在研究主要將其平均地布置在上接地端側和下接地端側，同時保持每層剪力墻所占的面積不變。改變結構剪力墻的布置可以采取以下步驟：首先，確定結構剪力墻的位置。根據設計要求和地震力分布，確定結構剪力墻需要設置的位置；其次，分析結構剪力墻的布置方案。根據山地高層建筑的特點和結構剪力墻的功能，分析不同的布置方案。考慮到山地地形的不規則性，可以根據需要設置多個剪力墻，以增加結構的穩定性；接下來，通過結構分析和模擬計算，對不同布置方案的受力性能和變形情況進行評估，根據評估結果，選擇最優的布置方案。在布置結構剪力墻時，需要考慮樁-土-結相互作用的影響，根據地震作用下的受力和變形情況，調整剪力墻的布置位置和數量，以保證結構的整體穩定性。為增加結構的整體剛度和穩定性，可以考慮在結構剪力墻的上部設置上接地端拉梁，這樣可以提高結構的整體抗震性能。根據最終確定的布置方案進行結構剪力墻的詳細設計，包括確定剪力墻的尺寸、配筋、連接方式等。在施工過程中，需要按照設計要求進行結構剪力墻的施工，同時，對結構剪力墻進行監控，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結構中更加均勻地分布，從而減小剪力墻的受力集中現象。

2 基于山地建筑結構的高層建筑抗震優化設計方案

當樁-土相互作用體系受到地震作用時，會產生較大的內力和變形。尤其是在近場地震作用下，結構上接地層的層間位移可能會超過規定值，同時在靠近上接地層的樓層也會出現地震反應的突變情況。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范要求，研究通過在上接地層設置與基礎相連的拉梁以及增大上接地端側剪力墻的覆蓋率，以提升建筑的抗震性能。為驗證基于山地建筑結構的高層建筑抗震優化設計方案的有效性，研究選取三條地震波對優化方案進行實驗驗證，其中包括TH1TG波、IMPVALL 波以及人工波。場地的地震波，同時選取某山地高層建筑進行實驗。首先對設置拉梁前后的上接地層間位移分布進行驗證，分布曲線如圖2所示。由圖2可知，通過設置拉梁，結構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，設置拉梁前，TH1TG波的位移變形差高達0.0041m。設置拉梁后，TH1TG波的位移變形差僅為0.0033m。同時，MPVALL 波以及人工波的位移變形差也相應降低了0.0002m、0.00003m。說明拉梁設計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 設置拉梁前后的上接地層間位移分布

研究繼續驗證更改結構剪力墻布置的有效性，采用高層建筑結構層的剪力進行實驗對比，更改剪力墻布置前后的結構層剪力圖如圖3所示。與原結構相比，將剪力墻平均地布置到上接地端側后，結構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后，建筑結構在上接地層及以上樓層結構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，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計策略可以優化結構的抗震性能，減少上接地層的層剪力，同時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構層剪力圖

3 結語

抗震優化設計成為了當前山地高層建筑結構設計的重要議題。研究為了對山地建筑結構的高層建筑進行抗震優化設計，構建了樁-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化方法。結果顯示，設置拉梁后，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降低了0.0002m和0.00003m。同時，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，減少地震災害的風險。