建筑結構抗震超限設計研究

文／嚴銳 安徽省建筑工程質量監督檢測站有限公司 安徽合肥 230088

引言：

隨著社會經濟的快速增長，城市化進程腳步逐漸加快，城市建筑工程項目日益增多，在此情況之下，高層建筑逐漸出現，實現了對于城市土地面積的有效利用，但隨著建筑層高的不斷增加，對于抗震設計方面的要求也在持續提升。作為影響建筑使用安全的重要因素，加強對于建筑結構抗震超限設計的研究和分析是十分有必要的。

1.建筑結構抗震超限設計概述

地震作為一種不可預測性的自然災害，有著極強的破壞能力。在實際展開建筑結構設計的過程中，需要充分考慮建筑可能遭遇地震情況的影響，采用超越常規設計限值的方式，以此確保在地震作用下，建筑功能仍然能夠得到有效發揮，建筑結構的穩定性以及可靠性，符合相關安全要求，最大程度上減少地震作用對于建筑以及人員生命安全的影響，降低地震的破壞程度，提升建筑抗災能力[1]。

2.工程概況

案例項目為某城市配套建筑工程項目，主要包括高層住宅、小學以及幼兒園，總建筑面積為512149.2 m2。此次針對其中住宅部分進行分析和探討。該項目主要包括H型和M 型兩種住宅建筑，詳細情況尺寸如表1 所示。根據前期勘探，案例項目所處地區屬于丘陵地帶，地形地勢起伏較大，并且建筑范圍內存在地形突變情況。根據相關資料顯示，案例項目擬建場地以及附近無區域性斷裂情況。擬建場地工程地質由人工堆積而成，表層土為素填土，其下為粉質粘性土，工程項目基礎采用人工挖孔灌注樁。

表1 建筑規格

3.抗震超限設計要點

（1）場地選擇。選擇有利于抗震的場地，避免地震時可能出現的山體滑坡、地面塌陷等不良地質條件[2]。（2）結構體系選擇。選擇具有良好抗震性能的結構體系，如框架-核心筒體系、剪力墻體系等。同時要合理分配結構的剛度和承載力，提高結構的整體性能。（3）構件設計。對于關鍵部位和構件，如框架梁、柱、剪力墻等，應采取加強措施，提高其抗震能力。同時要避免出現短柱、短墻等薄弱環節。同時，應加強對于構件材料選擇，以及截面尺寸的設計，以提高構件的抗彎、抗剪、抗壓等能力，全面保障構件穩定性以及可靠性。（4）阻尼設計。采用適當的阻尼設計，以減小地震作用下的結構振動和能量傳遞。例如，添加阻尼器或采用減震材料等，提高結構的耗能能力。此外，還需要優化阻尼設計，實現結構在地震作用下的動態響應控制。（5）施工要求。在施工過程中，應采取有效的措施，保證結構的整體性和穩定性。例如，合理安排施工順序、加強施工質量控制等[3]。

4.結構體系與布置

建筑結構設計對于建筑功能、使用安全等有著直接影響，科學展開結構設計，加強建筑受力特征分析，不僅能夠保障建筑結構的穩定性，提升延性變形能力，而且還能夠確保結構設計性能達到目標要求，延長建筑使用壽命。

案例工程項目采用的是剪力墻結構，樓蓋體系選用的是現澆鋼筋混凝土梁板結構，要求結構嵌固端所在樓層的結構板厚度在180mm 以上，其余各層樓板厚度在100～350mm 之間。

為保障結構體系設計的科學性以及合理性，需要結合建筑情況，合理選擇嵌固層。結合案例項目實際情況，最終將室外地面以下一層作為嵌固層。在綜合考慮建筑的位移、層高以及壓軸比等相關指標后，確定了案例項目建筑指標數據。其中H 型住宅樓剪力墻厚度在200～400mm 之間，M 型住宅樓剪力墻厚度在200～300mm 之間，混凝土結構強度詳細情況如表2所示。

表2 剪力墻厚度以及混凝土強度等級

5.結構超限判別

根據相關標準規定要求，對超限高層建筑工程抗震設防展開專項審查，案例項目為7 度抗震設防烈度。首先，需要根據建筑結構類型，審查相應結構的高度。其次，當建筑不規則程度超過下述規則其中三項，則不論高度是否超過限定要求，都需要將其視為超限情況。

（1）扭轉不規則，在建筑物結構中，扭轉不規則通常是指樓板的扭轉程度超過了規定的限制。當偶然偏心扭轉位移比超過1.2，則視為扭轉不規則。通過對扭轉不規則的判別，可以促使設計人員對樓板的設計進行優化，降低扭轉程度，確保建筑物的穩定。

（2）凹凸不規則主要指建筑物的立面、平面或空間造型存在較大的凹凸變化，凹凸不規則的判別有助于發現潛在的結構問題，提醒設計人員在設計過程中注意合理分布荷載，保證結構的穩定性。

（3）組合平面，在判別組合平面時，需要關注樓層間剛度、強度和穩定性等方面的變化，以確保建筑物在復雜受力條件下的安全性。

（4）樓板不連續，樓板不連續是指建筑物中樓板在某個方向上的連接性不足，可能導致結構整體性減弱。樓板不連續的出現可能會導致局部應力集中，進而影響整個結構的安全。在判別樓板不連續時，需要關注樓板的連接方式、材料性能和施工質量等方面，以確保樓板的穩定性和整體性。

（5）剛度突變，剛度突變是指建筑物在某個部位的剛度突然發生變化，可能導致應力分布不均和結構變形。在判別剛度突變時，需要重點關注建筑物的剛度分布、材料性能和結構變形等方面，以確保建筑物的安全性。當相鄰層剛度變化在70%以上，或者連續三層剛度變化在80%以上時，也可認定為剛度突變。

（6）尺寸突變，尺寸突變是指建筑物在某個部位的尺寸突然發生變化，可能導致結構受力狀態的改變。尺寸突變可能出現在建筑物的平面、立面和空間等方面。在判別尺寸突變時，設計人員應充分考慮尺寸變化對結構受力、剛度和穩定性的影響，以確保建筑物的安全性和穩定性[4]。

結合上述分析，以及案例項目實際情況，對建筑結構超限情況進行判別。發現H 和M 型高層住宅建筑的超限情況如下：（1）H 型建筑，存在扭轉不規則、樓板不連續、尺寸突變超限的情況；（2）M 型建筑，存在扭轉不規則、凹凸不規則、組合平面、樓板不連續，以及尺寸突變超限情況。因此，需要針對案例項目中，H1～H4 以及M1～M6 住宅建筑工程，分別展開抗震設防專項審查。

6.建筑結構抗震超限設計與計算分析

6.1 抗震設防要求

根據案例工程項目實際情況，在實際展開抗震設防超限設計之前，需要明確抗震設防的基本要求以及相關性能目標。根據相關建筑設計規范和標準可知，在實際展開建筑設計的過程中，抗震設防需要滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。在多遇地震的情況下，建筑即便不進行維修，也可保障使用安全；在設防地震的情況下，應確保部件出現細小裂縫或者輕微損壞時，在經過修整之后，仍可正常使用；在罕遇地震的情況下，建筑結構構件出現明顯損壞，但建筑不會倒塌，即便出現人員受傷事故，但不致命。案例工程項目中，高層住宅抗震等級均為二級。

在充分考量案例項目實際情況，以及工程特點和結構要求等方面因素后，明確各個構件的抗震性能目標，具體要求如下：（1）剪力墻底部加強區，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（2）非加強區剪力墻，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（3）剪力墻連梁，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設防地震中度損壞，罕遇地震損壞嚴重；（4）框架柱，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（5）框架梁，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設防地震中度損壞，罕遇地震損壞較嚴重；（6）薄弱部位樓板，要求在多遇地震的情況下，完好無損，設防地震輕度損壞，罕遇地震中度損壞；（7）其余部位樓板，要求在多遇地震的情況下，無損壞情況，設防地震情況下，損壞程度適中，在面對罕見地震時，可出現較為嚴重的損壞。

6.2 小震彈性分析

根據相關標準要求可知，在多遇地震的情況下，需要采用彈性時程分析的方式，展開補充計算，為超限處理和優化設計提供參考。對此，在實際計算分析的過程中，需要著重加強對于雙向地震、偶然偏心等情況的分析和模擬?；诖?，在實際展開計算的過程中，采用SATWE和EYABS 軟件，針對水平地震、風荷載以及橫活荷載等展開計算分析。案例項目底面粗糙度類型為B，體型系數為1.4，建立強抗震等級為二級，考慮偶然偏心，經過計算分析可知，案例項目建筑體型系數為1.4，結構阻尼比為0.05，最大影響力0.08，除此之外，還包括梁端負彎矩調整系數、梁設計彎矩放大系數、連梁剛度這間洗漱、結構重要性系數、恒荷載分項系數等。

經過模擬計算分析，得到M1 棟高層建筑的相關結論如下：（1）M1 棟高層建筑具備良好的扭轉剛度以及抗扭能力；（2）在風荷載以及地震的作用下，計算結果限制，M1 棟高層建筑的層間位移角情況符合要求；（3）經過對各層地震剪力的調整，建筑剪重比滿足規范要求；（4）偶然偏心作用下，經過軟件模擬計算分析可知，建筑結構最大扭轉位移比分別為1.26 和1.319，雖然超過了1.2，仍然滿足標準規范，在該樓層平均值的1.4 倍以內；（5）側向剛度計算方面，計算得到比值在1.24～1.36 之間，滿足規范要求的0.9；（6）在均勻性分析方面，經計算，樓層層間抗側力結構的受剪承載力，是上層的80%，這表明M1 棟高層建筑整體結構無薄弱層，符合建筑均勻性要求；（7）壓軸比方面，剪力墻最大壓軸比在0.5 以下，符合規范限值要求。

案例項目建筑高度超過了100m，屬于超高層建筑，根據相關規定要求，應展開彈性時程分析，作為補充計算。在此過程中，按照超越概率50年內63.2%，阻尼比為0.05取值進行分析。根據計算結果以及相關曲線圖可知，案例項目建筑的時程分析結果符合規范要求。

6.3 中震彈性分析

結合案例特點，以及相關標準規范，對中震情況下的建筑結構中的主要抗側力構件展開研究。此次計算的主要內容包括地震作用影響系數、特征周期等，詳細參數如表3 所示。

表3 中震計算參數

中震作用下，按照0 度和90 度方向要求，分別展開構件承載力的驗算分析，計算軟件分別為PKPM 和ETABS。0 度情況下，中震作用最大層間位移分別為1/563（15 層）和1/491（15 層），地面以上基底剪力分別為14219.84 和12830kN，首層基底彎矩為768687.62 kN·m 和728500kN·m；90 度情況下，中震作用最大層間位移分別為1/539（21 層）和1/517（20 層），地面以上基底剪力分別為15405.47 和13230kN，首層基底彎矩為749590.50kN·m 和726400kN·m。

經過對M1 棟高層住宅樓內部受力情況的分析，最終確定樓板配筋率應控制為0.33%，才能夠有效滿足中震拉力要求，保障建筑抗剪承載力達標。為保障建筑結構的可靠性，案例項目中確定雙向配筋率為0.5%，以此降低其他因素影響下，導致建筑結構不穩定情況發生的概率，進一步確保配筋合理，建筑抗震能力可靠、要求達標[5]。

6.4 大震靜力彈塑性分析

為確保案例項目建筑結構，在大震作用下，不發生倒塌，在實際展開抗震超限設計的過程中，需要對大震精力彈塑性進行分析，采用軟件程序，展開模擬。此次模擬計算的軟件為pushover，該軟件的主要運用優勢在于，能夠實現在多余地震下的彈性設計校核，同時也可模擬罕遇地震情況，幫助設計人員，明確建筑結構設計當中的薄弱環節，以此實現對于建筑結構設計的有效優化，和針對性加強，確保建筑功能、可靠性等達到規范要求和指定標準。

此次，模擬計算分析，需要分別進行非線性模擬和側向力分布模擬，以此實現對于罕遇地震情況以及慣性力作用的有效模擬和分析。經過模擬分析，發現罕遇地震作用下，案例項目建筑無論是在X 軸方向還是在Y 軸方向上，其性能點處最大層間彈塑性位移角情況，均滿足標準要求，能夠有效保障建筑使用者的生命安全。此外，在模擬分析的過程中，地震作用加載初期，建筑當中的少量連梁會呈現出損壞情況，之后少數框架梁會體現出塑性鉸，墻體出現小范圍損傷情況，但并不會出現損傷持續擴大發展的問題，能夠有效滿足建筑性能要求，可達到建筑建設目標[6]。

6.5 超限處理措施

結合上述分析可知，在實際展開建筑結構抗震超限設計的過程中，為達到良好的抗震效果，以及抗震設防要求，需要結合模擬計算以及相關分析結果，針對建筑薄弱部位、重要部位進行合理優化和加強設計。具體抗震超限設計要點包括以下幾個方面：

第一，根據計算分析結果，發現案例項目建筑結構剪力墻墻肢壓軸比仍有一定優化空間，為進一步保障建筑抗震效果，需要將H1～H4 棟住宅建筑的壓軸比孔子在0.5以內，M1～M6 的壓軸比控制在0.6 以內。第二，加強對于剪力墻以及框架柱的設計，優化提升正截面承載能力，確保其能夠滿足中震彈性相關要求。第三，結合案例項目建筑結構特點，以及功能需求，要求加強對于墻身水平以及豎向鋼筋分布情況，以及配筋率的設計，加強底部配筋，確保至少為0.4%。第四，合理提高薄弱部位的樓板厚度，采取雙層雙向配筋模式，確保單層配筋率至少為0.25%。第五，加強中震彈性設計優化，確保薄弱部位樓板的抗剪性能以及承載力等符合標準要求。第六，加強對于錯層部位剪力墻厚度的優化設計，確保其至少為300mm，配筋率在0.4%以上。同時加強連梁箍筋配筋率控制，確保其在0.5%以上。

經過上述計算分析，以及建筑結構的優化調整，有效加強了建筑結構抗震超限設計，確保建筑結構在小震、中震情況下符合彈性要求，大震情況下也能夠有效保障建筑內部使用人員的生命安全。根據驗算分析結果可知，案例項目建筑結構滿足規范要求，相關設計指標科學合理。在此基礎上，針對薄弱部位，采取有效加強措施，能夠進一步保障建筑結構設計質量效果，確保案例超限工程結構安全可靠。

結語：

綜上所述，建筑結構抗震超限設計對于建筑工程建設質量，使用安全等有著直接的影響，是實際展開結構設計過程中的重要內容。在實際進行抗震超限設計的過程中，應加強對于工程項目實際情況的分析和了解，合理分析建筑結構體系與布置情況，確保墻體厚度以及材料選取科學合理，能夠滿足建筑項目建設目標和相關要求。此外，還需要對結構超限類型以及程度進行判別，并展開建筑結構抗震超限的設計與計算分析，明確抗震設防要求，依次進行小震彈性分析、中震彈性分析、大震靜力彈塑性分析，最后還需要根據實際計算分析結果，合理進行結構設計的優化調整，采取有效超限處理措施。相信隨著對建筑結構抗震超限設計的深入研究和實踐探索，建筑結構設計水平和質量安全將會得到進一步保障。