高层建筑工程结构抗震设计及其大震弹塑性分析
时间：2023-06-12 11:00:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 涛
（山西工程职业学院，山西 太原 030011）
高层建筑在提高土地资源利用率方面有突出的作用，但其建设规模大，质量要求高，可因外部作用而发生局部失稳乃至坍塌等事故，因此如何有效提高建筑的抗震性能是值得重点探讨的内容。为保障高层建筑的安全使用，亟需加强对抗震设计方法的探索，明确对抗震效果造成影响的关键因素，确定适用于高层建筑的抗震设计方法，制定抗震方案并落实到位，切实提高高层建筑的抗震性能。本文在浅谈高层建筑工程结构抗震设计的基础上，对大震弹塑性分析方法——Pushover静力弹塑性分析方法的应用进行分析介绍。
1.1 材料性能和施工的影响
材料性能对建筑结构抗震效果有显著的影响，在同等地震条件下，若选用的建材质量越高，则相应的抗震性能越好，对地震作用力的抵御能力增强，否则将由于材料质量低下而加大失稳、坍塌的可能。即便部分材料在日常使用中无异常状况，但受到地震或是其他外部作用时，将发生事故，因此合理选择材料尤为关键。建筑建设中可以考虑楼板、隔断等相关构件的应用，具体材料包含空心砖、加气混凝土板等，此类材料具有轻质化、抗震性能突出的特点，有利于提升建筑结构的抗震效果。在日常施工中，必须加强对各环节的质量控制，确保建设成型的建筑结构能够满足抗震要求。
1.2 结构设计的影响
抗震是建筑结构设计中的重点内容，必须采取科学可行的抗震措施，达到小震不坏、大震不倒的效果。若建筑物的平面布置较为复杂，在质心和刚心不一致的条件下，结构对地震作用的抵御能力有限，易因地震作用而受损。因此，需要合理优化建筑的结构平面布置，确保质心和刚心保持重合，此时建筑结构的抗震性能将有所提升。超出屋面建筑部分的高度必须得到有效的控制，以减小地震对其造成的不良影响。还有部分建筑的平面布置不规则，在抗震设计中需要着重考虑距离建筑结构刚心远端的抗震墙以及各类与抗震有关的重要结构，对其进行深化设计，保证形式、受力等方面的合理性。
1.3 建设现场地质条件的影响
建筑物出现破坏的诱因较多，例如岩石断层、山体崩塌导致地表运动，进而迫使建筑出现不同程度的破坏现象；
此外，建筑还有可能受到水灾、海啸等次生灾害的影响。为尽可能减小受外部因素的影响，需要在设计阶段做好现场勘探工作，评估是否存在对建筑造成不利影响的因素以及各项因素的具体影响程度，尽可能避开不利地段，从而在源头上规避不良影响。
2.1 尽可能减小地震条件下能量的输入
高层建筑抗震设计中采用基于位移的结构抗震方法，做定量分析，确保在预期地震作用力下结构所具有的变形弹性可达到要求。注重对建筑构件承载力的验算，严格控制地震时建筑的层间位移限值；
理清建筑结构变形和位移两项参数的关系，明确构件的变形量；
加强对建筑应变分布和大小的分析，以此为出发点，确定具体的构造需求，再针对性地开展设计工作。高层建筑的建设规模较大，宜建设在坚固、平整的地基上，减小地震发生时的能量输入，控制外部对高层建筑的影响，以免出现大范围的破坏现象。
2.2 灵活应用高延性设计、隔震措施等
延性结构是高层建筑抗震设计中常采用的结构形式，其基本思路是允许结构在地震时进入较大延性的塑性状态，以此来控制地震作用的能量，削弱地震对高层建筑造成的不良影响。在保证建筑有较高延性后，即便其承载性能有限，也依然不易在地震作用下发生倒塌，原因在于延性构件具有吸收能量的作用，能经受较大的结构变形。在科学的延性设计方式下，能够消耗地震能量，达到“裂而不倒”的抗震效果。
2.3 合理选择抗震结构并予以优化
对于高度在150m以上的高层建筑，通常采用框-筒、筒中筒、框架-支撑结构。结合我国的工业发展状况，钢材生产规模较大，钢结构的加工水平正逐步提高，因此在条件允许时宜优先考虑钢材的应用，例如设计钢管混凝土结构，通过此类结构的应用，减小柱断面尺寸，提升结构的抗震性能。此外，不宜采取以硬性为主的抗震模式，相比之下更具可行性的是以柔性为主的抗震模式，通过此方式减弱地震时释放的冲击力。
2.4 注重高层建筑建设材料的选择
合理选择建筑材料是提高建筑抗震性能的重要途径，在选材时需注重对参数变异性的分析。从抵抗地震的角度来看，其关键在于控制建筑结构的延性需求，因此要求工程人员综合考虑建筑工程的各方面，经过优中选优后，挑选出抗震性能突出的建筑材料。
2.5 联合构建多道抗震防线
高层建筑的抗震设计需要集多项措施于一体，即建立起多道防线，全面提升建筑对地震的抵抗能力，即便第一道防线遭到攻击，其他各道防线也依然可以有效阻挡地震作用力，减小地震对建筑造成的不良影响。在高层建筑多道防线的设计中，可考虑框架剪力墙等具有较强抗震性能的结构，以便建立高层建筑的第一道防线。与此同时，剪力墙还是重要的抗侧力构件，因此需要保证剪力墙在承受能力、数量等方面均具有合理性。考虑剪力墙开裂后重新分配的地震作用，按框架和墙两部分结构开展抗震设计工作，充分发挥出各自在分配地震剪力方面的作用，避免外力集中作用于某处[1]；
在剪力墙结构的设计中，可以考虑连梁的应用，以此来增强剪力墙的抗震性能。
3.1 工程概况
某工程项目总建筑面积645265m2，重点建设内容包含高层住宅、超高层住宅等，总建筑量共20栋。建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，结构设计基准期为50年。
3.2 大震截面抗剪分析
考虑底部剪力墙墙肢抗剪截面承载力验算，此处的计算采用SATWE软件，高效计算底部墙肢的剪力。结合建筑工程建设状况，荷载分项系数取1.0，地震影响系数按大震取值，建筑材料强度取标准值，构件内力和承载力的调整系数均取1.0。按公式（1）计算，确定构件的抗剪承载力：
式中，系数βc的取值根据混凝土强度等级而定，不超过C50时取0.80，达到C80时取0.74；
fc为混凝土轴心抗压强度标准值；
b为矩形截面宽度；
h0为截面有效高度。根据剪力墙的尺寸确定b和h0，其中b取剪力墙厚度，h0取剪力墙截面有效高度。
根据计算结果可知，相比按规范计算的抗剪承载力，底部各墙肢剪力均更小，表明在大震作用下结构可达到受剪不屈服的良好状态。
3.3 大震弹塑性分析
3.3.1 分析方法
（1）静力弹塑性分析法。首先以传统抗震设计方法开展设计工作，在此基础上围绕设计成果做静力弹塑性分析，以此来评估结构的抗震特性。加载静力荷载直至其达到结构的最大性能点，确定此条件下结构变形和横向荷载两项参数，分析两者具备的关系，同时考虑反应谱计算的抗震性能要求，评估结构的抗震性能是否达到要求。按前述思路进行分析后，确定性能反应谱和设计反应谱，综合分析两者，产生的交点即为性能控制点。在性能点的计算分析中，首先考虑假设位移延性比，而后确定各延性比对应的有效周期，将其图形与非线性设计响应谱做对比分析，确定两者产生的交点，由此生成轨迹线，最终的性能点则指的是轨迹线与结构能力谱的交点[2]。
（2）Pushover分析法。以等效单自由度体系为基础展开分析，遵循特征周期相等的等效原则，经过转化处理后获得单自由度体系。为顺利完成等效转换，需建立在如下假设的前提下：按假定的侧移形状发生地震反应；
转换前后的两种体系在基底剪力方面保持一致；
转换前后两种体系在相同水平地震力作用下所做的功保持一致。为更加精简地分析，暂不考虑弹性阶段结构各阶振型间的耦合作用，并确定等效刚度Keff、等效质量Meff、等效加速度aeff等基本参数。等效过程如图1所示。
图1 单自由度体系的等效过程
假定在水平方向各质点均为简谐振动，则按照如下公式展开计算，依次得到质点的位移和加速度：
按前述公式计算后，确定加速度与位移，根据两者呈正比的关系，则有：
假定两种结构体系所做的功保持一致，则有：
单自由度体系的等效质量和等效目标位移依次按如下方法计算而得：
基底剪力为：
式中，Keff为割线刚度（发生在最大位移时）。
3.3.2 采取Pushover分析方法分析弹塑性
此处采取的是Pushover分析方法，根据分析有效性和便捷性的要求，选用的是业内主流的MIDAS/Gen，高层建筑结构模拟采用2D-梁单元、3D-梁-柱单元等形式。框架梁的梁端为M-M弯曲铰，剪力墙的两端和框架柱的柱端均为P-M-M轴力—弯曲相关铰。
3.3.3 分析结果描述
结构X向、Y向基底剪力—位移曲线见图2、图3。结合图2、图3所示的结果展开分析：控制位移为0.9m时，无论是X向还是Y向曲线，均不存在下降段，这一结果表明结构未出现垮塌的情况，由此也进一步表明结构在抗震和抗倾覆两方面有突出的表现。
图2 结构X向基底剪力—位移曲线
图3 结构Y向基底剪力—位移曲线
为进一步分析结构的性能点，并考虑到大震作用条件，具体结果如图4、图5所示。
图4 结构X向能力谱比需求谱
图5 结构Y向能力谱比需求谱
着重从结构X向、Y向两个方面着手，做相应的分析：
（1）结构X向顶点控制位移为425.60mm，结构等效阻尼为12.33%，相比小震作用的结构基底剪力，大震时（达到29730kN）约为该值的3.54倍。在高层建筑中，不同楼层的层间位移角存在差异，其中以第20层最为明显，达到1/240，其他各层均小于该值，但无论哪一层，该高层建筑的层间位移角均小于规范的1/120，由此表明在大震时建筑各层的层间位移角得到有效的控制。
（2）在前述分析的基础上，进一步考虑结构Y向，顶点控制位移为608.80mm，等效阻尼为7.01%，相比小震作用的结构基底剪力，大震时（达到32440kN）约为该值的3.81倍。类似地，不同楼层的层间位移角存在差异，其中以第30层最为明显，达到1/185，其他各层均更小，但无论哪一层，该高层建筑的层间位移角均小于规范的1/120，由此表明在大震时建筑各层的层间位移角得到有效的控制。
经过对结构最大层间位移角的分析后，确定具体发生部位，其中结构X向在结构中部，Y向则集中在中上部，与前述的Pushover分析结果做对比分析，可以发现，两者具有趋同性。具体而言，在大震性能控制点后，结构各项能力曲线均维持相对良好的状态，即并未发现其存在下降段，反而呈现出一定幅度上升的曲线走向规律，此现象说明结构仍有适量的承载力，在面对大震这一特殊的外部条件时可维持稳定。经过与结构设计需求的对比分析可以发现，结构X向和Y向的抗震性能均更高，结构的抗震性较好，满足规范要求。
综上所述，合理做好结构抗震设计工作是高层建筑设计中的重点内容，作为工程设计人员，必须以建筑结构的安全稳定为基本前提，以现行行业规范为引导，结合高层建筑建设现场的地质条件，针对性地开展设计工作。经过抗震结构的优化、优质材料的选择、力学性能分析与改进等多项措施的有效落实，尽可能提高高层建筑结构的抗震性能，有效减小地震作用力对高层建筑造成的影响，以此使其达到抗震的效果。在高层建筑抗震的设计中，本文仅提出一些可供参考的内容，相关人员仍需持续探索，注重理念的创新和方法的优化，持续提高抗震设计水平。
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