基于时变性能的高层民用建筑结构抗震设计方法

于 鹏

(山东港通工程管理咨询有限公司,山东 烟台 264000)

0 引 言

高层民用建筑是在社会发展及人类生活所需的驱使下产生的,同时也是城市化建设的必然结果。随着建筑建设水平的不断提升,轻质、高强的建筑材料得到广泛使用,并为高层建筑的发展提供了有力的物质和基础支撑。对于高层民用建筑的结构抗震设计要求,是保证在发生较小地震灾害问题时,建筑本身不会受到影响;在发生中级地震灾害问题时,建筑受损不严重,并且不会对居民的人身安全造成威胁;在发生大地震时,建筑不会坍塌,并且可以为居民提供有效的空间和时间,逃离建筑[1]。对高层民用建筑结构的抗震要求,对于地震多发地区而言具有十分重要的意义。当前传统高层民用建筑的结构抗震设计,采用以三水准作为设防目标的传统抗震思路,对于建筑结构及材料本身存在的问题并没有进行过多考虑,导致在实际建设中存在只注重结构尺寸优化、优化后的目标无法完全符合 具体施工要求、无法实现离散变量优化等问题,严重影响高层建筑的施工质量,并且使周围居民的安全得不到保障[2]。因此,本文针对这一问题,开展基于时变性能的高层民用建筑结构抗震设计方法研究。

1 高层民用建筑结构抗震设计

1.1 建筑结构抗力时变模型

在对高层民用建筑结构抗震设计时,应当结合混凝土材料在空气当中的作用引发的结构承载力变化,考虑其结构的时变性能[3]。因此,根据混凝土的碳化引发结构退化的三个阶段,如图1所示,建立基于时变性能的建筑结构抗力时变模型p。

图1 混凝土结构强度时变图

当混凝土结构开始受到时间的改变而发生碳化反应时,钢筋也逐渐锈蚀,并且当到达一定程度后,混凝土表层将会逐渐开裂并脱落,最终混凝土保护层结构整体失去效用,钢筋继续锈蚀。由模型可以看出,当混凝土结构开始碳化后,经过一段时间未达到钢筋表面时,离钢筋表面还有碳化残量仍存在一定距离时,此时钢筋开始锈蚀。通过上述分析,得到如公式(1)所示的基于时变性能的建筑结构抗力时变模型。

(1)

式中:δ(t)为钢筋混凝土及结构的锈蚀深度;δcr为混凝土开裂时间。除此之外,影响混凝体结构发生碳化的主要因素包括材料本身的因素,例如水与石灰的比例、水泥的类型等,还包括外界环境因素影响,例如温度、湿度、二氧化碳浓度等。因此,在针对具体高层民用建筑的施工条件,对其结构抗震性还需要进行具体分析。

1.2 高层民用建筑地基结构抗震性设计

根据具体高层民用建筑工程施工过程中对抗震的要求,并结合上述构建的建筑结构抗力时变模型,对建筑地基结构抗震性进行设计。在一个建筑结构方案设计过程中,由于不同结构的特点存在不同的抗震标准,因此对于地基结构的抗震处理方式也不同。为防止在后续施工和使用阶段,地震时出现建筑晃动、沉降,甚至坍塌的问题,根据褥垫的设计方案可实现对其抗震效果的处理。将褥垫结构设计在建筑的地下地带以及持力位置,当地震引发建筑晃动或沉降时,建筑地基结构保护地带上会附加较大的压力,从而防止建筑中的地板结构出现开裂,进而抑制了二次振动或沉降问题的发生[4]。在制定建筑结构设计方案时,对于建筑现场存在天然的地基结构的情况,可对其同样进行相应的养护作用,从根本上提升建筑地基结构的抗震性。

由于高层民用建筑大多存在地下室结构,因此针对这种建筑结构的抗震设计,还应当考虑到发生地震时,地下水的运动情况。当高层民用建筑所处地区处于降水丰富时期时,地下水位会呈现出快速上涨的趋势。而此时,对于地下室地板的防水结构设计十分重要。通常情况下,地下室在建筑结构复杂,且基槽地膜结构的形状不一。因此,在对其外部轮廓进行设计时应当尽可能地简洁,从而有利于后续建筑防水的顺利进行,通过良好的防水结构还可进一步提高建筑的抗震性。

1.3 高层民用建筑构件抗震性设计

为了进一步提高高层民用建筑结构的抗震效果,还可以通过增加钢筋保护层的厚度,实现对建筑构件抗震性的提升。在设计高层民用建筑结构时,应当选用在构件表面添加碳化或氯离子等采用入侵的钢筋结构。根据混凝土在实际建筑中的暴露情况,对混凝土的保护层厚度进行设定。对于一般高层民用建筑结构设计中的混凝土结构构件而言,混凝土的厚度应当在C25～C30范围内,并且其保护层的厚度应当在31.5 mm以上;对于靠近地下水位置或保护在海上的建筑构件,其混凝土的保护层厚度应当在55.8 mm以下;对于周围铺设公路或桥梁护栏的建筑构件结构,其混凝土保护层厚度应不小于55.5 mm;对于室内的混凝土梁、柱、筋等构件结构,其混凝土保护层厚度应当为35.5 mm,以此才能保证高层民用建筑结构的抗震性。在对高层民用建筑结构抗震方案进行设计时,为了进一步提高其抗震性,可在选择混凝土材料时,清晰地给出混凝土构件的使用时间,并严格按照材料的规范规定进行结构设计。

1.4 建筑结构设计方案抗震数值模拟

为保证在施工过程中,按照上述设计步骤得到的高层民用建筑结构合理,并满足抗震要求。在具体施工时,会扰动周围的岩土结构,导致岩土结构原本的应力平衡遭到破坏,岩土应力重新分布,会造成地层和建筑发生下沉[5]。当下沉超出一定限度时,不仅会对建筑的抗震性造成影响,还会引发施工安全事故问题。因此,在施工前,还需要对方案内容进行抗震数值模拟。在建筑施工过程中,周围岩体应力是由自重应力与结构应力两部分组成,在模拟过程中可以将两部分应力进行简化,将其简化为垂直应力或者水平应力。利用有限元法将结构设计方案中的数值模拟分成两部分,一是对施工过程数据模拟,二是对建筑抗震能力定量数据模拟。

对于施工过程中数值模拟主要是利用有限元软件实现施工过程中,建筑机构荷载的施加和释放的循环,每一次荷载循环代表一个施工步骤[6]。因此在数值模拟过程中对于荷载施加不能一次完成,所以本文结合阶段式叠加方法,通过多个增量对施工过程中每个施工步骤荷载进行增加。荷载的释放也采用上述相同的方法。应用有限元方法对施工过程数值模拟分析的过程中荷载的释放与施加是通过相关系数来控制,其具体有限元表现形式可用如下公式表示:

Qv=n×(qm+K)·(Nc+Nd)

(2)

式中:Qv为混凝土结构总刚度矩阵;n为施工过程中的具体步骤次数;qm为建筑围岩初始总刚度矩阵;K为刚度增量和减量;Nc为开挖过程中,释放荷载的等效结点力;Nd为发生地震时,新增的自重等效结点力。利用上述有限元分析表达式,对建筑结构设计方案抗震数值模拟,实现在施工前对方案可行性的验证。

2 对比实验

2.1 实验条件

本文以某建筑工程的整体结构体系举例,验证本文提出的基于时变性能的高层民用建筑结构抗震设计方法与传统抗震设计方法的抗震强度。该高层民用建筑的抗震方案设计要求是对地上15层、地下2层建筑进行设计。在对其抗震结构进行设计时,为保证验证结果的公正性,分别采用本文提出的抗震设计方法与传统抗震设计方法为该建筑工程提出抗震方案,保证两种设计方案,建筑总高度为27.8 m,地下两层每层高度为4.2 m,地上15层每层高度为5.2 m,建筑总面积为15 340.72 m2。规定该高层民用建筑的整体施工要求为:地下2层采用现浇混凝土材料,地上15层采用预制框架,将顶板作为该高层建筑上半部结构的固定部分。将两种设计方法得出的抗震方案分别输入到仿真软件当中,构建两个规格完全相同的高层民用建筑模型。分别向两个模型施加烈度为5度、6度、7度的地震情况,记录两种模型抗震情况。设定利用本文设计方法得到的建筑模型为实验组,利用传统设计方法得到的建筑模型为对照组。

2.2 实验结果与分析

对比两种模型在不同烈度下地震中的抗震情况,将实验组与对照组水平方向上的晃动范围进行记录,并绘制成如图2所示的实验结果对比图。

图2 实验组与对照组地震时水平方向晃动范围

从图2中的两条曲线对比可以看出,在对两组建筑模型施加5度和6度的震动时,实验组的水平方向晃动范围明显低于对照组。图2中,对照组虚线部分表示为在实验过程中,对照组建筑模型在受到烈度为7度的地震时,建筑模型整体出现了严重的坍塌现象,因此没有有效的记录结果。在实验过程中,本文方法在建筑施工前设计了对结构方案的数值模拟环节,因此可以进一步确保施工质量。通过实验证明,本文方法的抗震强度更高,按照本文方法设计的建筑结构质量更高,抗震效果更明显,在实际施工将会带来更大的社会效益。

3 结束语

通过开展基于时变性能的高层民用建筑结构抗震设计方法研究得出,建筑结构在其全生命周期当中,由于会受到外界环境因素以及自身因素的影响,结构会发生退化现象。因此,在对建筑结构进行设计时,应当充分考虑到各建筑材料的时变性能,从而保障后续建筑施工及实际应用的安全。