高层建筑结构抗震设计研究

马秀娟

(民勤县建筑设计室,甘肃 民勤 733399)

本文所分析的工程案例属于结构较为复杂的高层建筑,需要充分考虑到建筑整体结构以及薄弱的部分,迎合当地地质条件需要,符合高层建筑建设规范标准,从多个方面综合提升抗震性能,结合理论与经验,优化抗震设计。

1 工程概况

该建筑工程位于某城市的信息技术产业区域,分为地上和地下两部分。地上部分的建筑结构总共有6个单体,本次主要探讨的单体位于整个建筑工程项目上部左侧的框架结构体系,该单体的总体高度为61.5 m,屋面框架的层面高度为67.2 m。标准的层高为4.5 m,另外有一层的层高为7.1 m。整个单体总建筑面积约为23 200 m2,地下室的总体建筑面积约为8 500 m2。地下室顶板采取的固定方式为嵌固型,填埋深度约为16.3 m,地下室的建筑体主要采取了现浇混凝土框架及剪力墙的结构形式进行构建,整体的紧密性较为良好。地上部分的楼层总共有20层,不同的层段所执行的功能有所区别,主要分为办公层、避难层、玩乐层、观光层等。为了有效保障高层建筑结构的稳定性,主体结构主要采用了框架核心筒的结构,并且加设了许多能够有效抗震的设计。

2 地基基础设计

2.1 工程地质概况

该工程所处区域的地貌形态为丘陵,建筑工程的建设区域内,地面表层的地势略有起伏,可能会影响抗震设施的效果,除此之外,场地内部基本无不良地质。根据实际的勘察报告显示,在地基层的土层中,主要为黏土、强风化泥岩和中风化泥岩黏土,其厚度达到6.1～11.2 m。

2.2 桩基础设计

结合实际的地质勘察报告可知,本工程的各单体桩体处采用钻孔灌注桩,可达到更良好的抗压效果。钻孔灌注桩设计的参数应当满足实际的工程需求,在桩柱的端口持力层,可以铺设灰色的含砾粉砂或者灰黄色的粉砂。在设计钻孔灌注桩时,要定点测试单桩抗压承载力的数值,确保抗压承载力的数值和抗拨承载力的数值都能够满足标准,结合安全保护区域的要求和规范标准,建造不同强度和长度的钻孔灌注桩[1]。结合底板的受力情况和整体桩柱的分布情况,在各个建筑的单体区域下,铺设不同的钻孔灌注桩。在设计的过程中采取一桩一柱的形式,测算单桩承载力特征值,进行单桩承载力的试验,根据试验结果调整实际的桩体脊柱布置方案,结合竖向荷载和整个楼体的载重数值以及荷载标准,测算出每根桩柱承担的荷载质量,与此同时,要控制桩基的水平荷载组合,使其能够满足规范。注意结合核心筒底板的厚度增设不同的桩柱礅,还可以适当增加基础梁柱,增强桩基结构的统一性和整体性[2]。

2.3 地基材料的选择

为了增强高层建筑地基构造的抗震能力和稳定性,应当在前期选取材料时进行充分的调研,尽可能采取抗震性能更好的特殊材料,将地震作用力对地基造成的负面影响和危害降到更低。在对地基基础结构进行处理时,可以采取砂子与黏土交替铺设的方式,减少地震对地基造成的破坏。除此之外,要在地下室增加防水混凝土表层,在筏板基础底部另外铺设性能优秀的防水材料。而且还可以采用沥青材料加设地基隔震层,利用沥青材料所铺设的缓冲层分走一部分的震动力。不同类型的抗震材料见表1。

表1 抗震材料类别

3 上部结构设计

3.1 超限情况及具体措施

建筑体上部结构出现超限情况主要分为三种类型:第一种是高度超限情况,应当采取数据化的软件模型进行地震模式下的整体弹性运算测试,进一步利用弹性行程分析,对多种情况的地震形势进行补充计算,再采用相应的净力弹塑性分析方法,检验整体结构在遇到航线的地震情况时的抗震性能。加强底部核心筒剪力墙当中的抗剪承载力设计,使得剪力墙截面能够满足截面剪应力的控制要求。第二种情况是楼板开洞较大,已经出现了局部楼板不连接的情况,此时可以在平板薄弱的区域进行补救。第三种情况是楼板出现了局部的大开动情况,甚至可能出现了跃层柱开洞情况。此时应当使层柱的剪力不小于普通柱,结合不同的超限情况,分工程拟定抗震性能目标[3]。拟定目标主要由抗震强度划分,即小震时不损坏,中震时可修复损坏,大震时不倒塌。在对抗震结构进行设计分析时,还要综合考量构件的承载能力系数、荷载分项系数。研究剪力墙结构在不同震度受拉的情况之下,建筑结构体所能承受的最大压力和力矩。

3.2 抗震性能目标的实现

结合不同的地震情况,综合考虑结构设计的经济性、专业性、科学性,设定性能目标的实现方案,落实整体楼层结构的抗震方案,对于关键的承载部分,比如屋面悬桃端部、屋面悬挂桁架等区域进行重点维护。在针对性地布置结构平面时,应当尽力将每一个层面中的质心和重心向同一个区域重合或靠近。尽可能采用低容重的墙体材料,才能有效降低发生震动时墙体自重带来的连带压力。整个楼层都采用钢筋桁架组合的楼板,因此各个区域之间可能会伴随一定的洞口和相距距离较大的连接部分,为了应对复杂情景下的刚度变化,应当针对小震、中震、大震等不同情况,对楼板进行应力分析,根据分析所得结果找出楼板的薄弱部分,对该部分进行配筋[4]。

4 结构构造的抗震设计

4.1 建筑层间隔震

高层建筑每个楼层之间的受力情况都有所差别,在建筑层间增加相应措施,能够形成延续性较强、统一性较强的抗震结构体,为整体的建筑抗震工作带来更坚实的基础。其中,隔震的处理形式能够有效控制住部分振动所带来的破坏力,在层间加设摩擦滑移隔震处理装置或橡胶垫装置(见图1)也能够保障基础的抗震要求。因此,应当结合建筑基础设置隔震技术,减弱地震作用力向上传递的效果,进而可以控制住地震能量波的传播。相较于传统固定结构而言,隔震层结构能够起到更良好的阻隔效果[5]。

图1 橡胶垫隔震装置

4.2 结构悬挂抗震

悬挂抗震法在高层建筑的抗震设计中属于一种重要且有效的形式。采用建筑体中的某一部分结构,以悬挂的形式减少整体结构所受到的地震作用力干扰,尤其在地震灾害发生的过程中,能量波基本不会向上传递到经过悬挂的结构,有效抑制了部分地震作用力的传递,尤其是在采用了大型钢材料的建筑结构当中,通常都会采取悬挂隔震的抗震设计形式[6]。在对主框架和子框架进行相应的设计操作时,可以将子框架通过吊杆等材料悬挂于主框架之上,削弱了部分地震作用力,使得整体结构的抗震性能得到增强。抗震支吊架示意见图2。

图2 抗震支吊架示意图注:1—结构体;2—长螺母;3—长螺杆;4—方垫片;5—槽钢紧固件;6—膨胀螺栓;7—抗震连接构件;8—槽钢;9—快速抗震连接构件

4.3 多道抗震防线

普通的建筑工程中只需要加设一道或两道抗震防线,但是对于高层建筑而言,其内部结构较为复杂,发生地震时受到的危害力度较大,可以设置多道抗震防线。相较于单道抗震防线而言,多道抗震防线能够持续增强高层建筑的结构稳定性,最大程度上减少因地震作用力所带来的危害,即使第一道防线的构件遭到破坏,在此后的多道防线当中也能够保护建筑结构,有利于抵御振动级别较大的地震,具备较强的抗干扰能力和抵御能力。尤其是当建筑结构出现倾斜或倒塌时,更需要设置多道抗震防线,采取多道框架剪力墙或筒中筒等结构形式落实多道抗震防线。

4.4 综合使用多项抗震措施

由于建筑结构设计正朝着多元化的方向发展,高层建筑的施工方案也愈加复杂,想要综合且全面地使整体高层建筑中的各个模块都获得较强的抗震干扰能力,就需要综合使用多项抗震措施。在多元化的架构体系当中,要充分考虑实际情况,建立起稳定安全、相对牢固的保障措施,持续增强建筑主体的耐久性[7]。对高度和厚度等数据进行精准计算,优化控制各项重要的指标,提升建筑建设水平,提高安全保障的能力,提升抗震措施建设工艺,对整体结构进行振动试验,可以发现其在架构上的不足。

4.5 优化抗震结构体系

切实提升建筑结构体系的科学合理性。在地震频率发生状况的地区还需要采取更加专业化的测量方式以及模型模拟形式,严格测算不同振动级别下高层建筑结构体系可能产生的变化,并判定该变化是否会影响整体结构的稳定性,再对特定的区域进行主体加固的结构布局方法。当发现建筑结构体仍然出现了抗震性能不达标的情况时,要针对性地找出产生问题的具体原因,建立起标准明确、信息透明的高层建筑抗震系统,持续结合各项反馈结果,不断调整质量管理方案。除此之外,还需以创新的精神对各项防震技术进行改进,提升其效果[8]。

5 结语

综上所述,高层建筑都十分注重抗震设计,为了有效提升高层建筑整体结构的抗震性能,将地震等地质灾害所带来的伤害降低至最小,在地下室中,主要采取了现浇混凝土框架及剪力墙的结构形式进行构建。依据不同位置的安全保护区域的要求和具体的规范,要建造不同强度和长度的钻孔灌注桩。上部结构出现超限情况主要分为三种类型,结合不同的超限情况,分工程拟定抗震性能目标。结合不同的地震情况综合考虑结构设计的经济性、专业性、科学性,综合设定性能目标的实现方案。结合建筑构造的抗震设计,做好建筑层间隔震。高层建筑应具备多层楼层,每个楼层之间的受力情况都有所差别,在建筑层间增加相应的措施,能够形成延续性较强、统一性较强的抗震结构体,可以通过设置多道抗震防线,综合使用多项抗震措施,确保整体高层建筑中的各个模块都能达到更高的质量。