基于高层民用建筑结构抗震的优化设计探析

徐朝霞

【摘要】高层民用建筑结构设计中，抗震设计是一项十分重要的内容，为满足抗震的需要，应结合高层民用建筑的结构类型，采取针对性的结构抗震设计措施，并结合实际需要针对性的进行优化和完善，以确保结构抗震性能得到有效提升。因此，本文从高层民用建筑中常见的剪力墙结构为例，选取某工程实践，对最初的结构抗震设计方案的优化设计进行了探析。

【关键词】高层民用建筑；抗震设计；优化；剪力墙结构

本文研究的案例中采用的剪力墙结构是高层民用建筑中常用的结构类型之一，由于此类结构不仅有着良好的整体性，而且有着较大的抗侧刚度与抗震承载性能，因此在高层民用建筑中得到了广泛应用。以下笔者结合某工程的实践，就其结构抗震优化设计展开如下分析。

1.工程概况

本工程位于A市经开区周边的新开发楼盘，其中地上28层，地下3层，层高3.5m，地库层高4.5m，本栋建筑的竖向交通为电梯+楼梯组合而成，建筑总高度是98.2m。按照本工程所在区域的抗震设计要求，所在地区为7度区，所设计的抗震方案应与本工程所在的抗震烈度要求。在设计过程中，最初的平面设计方案与立面布置详见图1（a）所示，在对其结构进行初步设计的基础上，为满足抗震设计的需要，对其结构形式需要优化，才能确保结构承载力得到提升，不必要结构构件使用减少，使得结构设计更加合理，以满足抗震性能的需要。

2.结构选型要点

在本高层民用建筑中，为实现对结构抗震方案的优化，本工程在结构选型中主要开展了以下工作：

2.1科学确定竖向结构体系

由于本工程地上建筑为28层，高度高达98.2m，因此，本工程决定采用剪力墙结构。这样不仅能确保剪力墙构建的承载性能得到有效利用，而且还能满足其抗震性能的需求，从而为本工程项目的功能使用和高度以及空间分割要求得到满足。因此，在设计抗震墙时，为确保其设计的合理性，能有效的承受凯子竖向荷载、水平荷载与扭转作用，确保结构的稳定性，满足基本概念设计要求，在本工程设计中，不仅严格按照规范进行抗震性能设计，而且按照实际需要，在布设剪力墙的前提下，对其进行了优化。幼儿的目的是将剪力墙结构布置数量减少的同时，还能确保其在抗震要求上达标，从而对本建筑的剪力墙结构进行优化设计。所以在进行综合全面分析的基础上，本工程决定采取剪力墙结构，并对其进行设计，以确保竖向结构体系从根本上有着较强的承载性能。

2.2科学确定水平承载体系

在对竖向结构体系确定为剪力墙结构之后，还要对水平承载体系进行科学确定。这是因为高层民用建筑受到水平荷载与地震力的双重作用，使得结构变形较大，此时就需要确保结构具有足够的抗侧刚度，以确保结构能满足正常高效使用。由于本工程的结构高度高，风压高达0.62kN/㎡，考虑到受风荷载与可能引发的地震作用，所以结构变形较为明显，就需要做好抗侧力构件的设计。因此本工程中采用的剪力墙构建能有效的抵御水平荷载的作用，能满足地震作用下形成的位移要求，相较于其他结构体系，采用剪力墙与连梁能有效的满足工作实际需要。一般而言，高层建筑超过50m时，其楼板现浇的砼需要达到C30。因此，在本工程中，综合考虑多因素的前提下，水平承载体选择的是剪力墙与连梁以及楼板，并采用现浇钢筋砼结构。

2.3科学确定下部结构体系

按照本工程现场对地质情况的勘察，地质土层有6层，从上到下分别为：杂填土、耕土、粉质粘土、卵砾、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。最初在本工程中确定其采用桩承台基础形式，但是结合项目持力层的特点分析后发现，需要采用预应力管桩，并对地基的承载力进行计算后发现与地质勘查报告中的单桩承载力要求相符。

3.抗震设计优化

为满足抗震性能的需求，结合本工程的实践，在进行结构选型的基础上，对结构抗震设计方案进行了优化，具体优化的过程如下：

3.1优化思路分析

结合目前高层建筑的设计规范与砼结构设计要求以及砼构造手册中的相关要求，在本工程项目结构抗震优化设计中，其基本思路是在布置剪力墙结构时，尽可能地减少对短肢剪力墙和结构平面突变与剪力墙结构尺寸不可的问题，并结合建筑平面布置要求，就竖向边缘构件和墙身予以合理化设计与优化。在这样的思路下，采用的具体优化措施有以下几点：一是构件周边要布置均匀，尽可能地减少集中布置的情况；二是采用长短均匀的剪力墙构建，预防发生墙肢过长或过短的问题；三是在墙肢优化设计中，以采用L型的墙肢和T型的墙肢与交叉的墙肢，预防设计组合形式的墙肢；四是在剪力墙开洞方面，主要是结合剪跨来选取梁，减少结构突变，具体优化的过程详见图1（b）和（c）所示。

图1：本工程相关图示

3.2荷载优化设计

在对本项目进行结构优化设计的基础上，为满足抗震需要，对其荷载进行了优化，尤其是剪力墙结构中的楼面与梁上部带来的荷载较大，因此结合工程方案和荷载规范以及抗震设计等情况，对荷载变化情况进行了优化设计。

3.3优化方案论证

为对本工程确定的优化方案的科学性进行论证，以夯实优化的效果，在本工程中，根据高层建筑砼结构技术规范，选取Pkpm软件内的Sawete程序，就该工程进行了建模分析，并建立了力学模型空间计算程序，分析了该建筑的整体结构性能，在对计算结果进行整理之后，对结构地震作用下的基底最大剪力与最大层间位移角进行了整理，在采用地震方向为0°时，分别进行了五次试验，采用TH1TG065时，其最大的层间位移角为1/855、基底最大剪力22341.9kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为87%；采用RH2TG065时，其最大的层间位移角为1/736、基底最大剪力24632.0kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为96%；采用TH2TG065时，其最大的层间位移角为1/847、基底最大剪力19163.0kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为74%；采用地震波均值时，其最大的层间位移角为0、基底最大剪力22045.6kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为86%；采用振型叠加法时，其最大的层间位移角为1/680、基底最大剪力25590.0kN。

在采用地震方向为90°时，分别进行了五次试验，采用RH1TG065时，其最大的层间位移角为1/936、基底最大剪力22728.6kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为79%；采用TH1TG065，其最大的层间位移角为1/1074、基底最大剪力25946.9kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为91%；采用TH4TG065时，其最大的层间位移角为1/885、基底最大剪力20843.8kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为73%；采用地震波均值时，其最大的层间位移角为0、基底最大剪力23173.0kN、基底最大剪力与振型叠加法的比值为81%；采用振型叠加法时，其最大的层间位移角为1/512、基底最大剪力28620.0kN。通过队计算结果与规范对比之后，发现其抗震性能满足实际需求。

4.结语

综上所述，高层建筑结构抗震的优化设计，应结合工程实际，针对性的确定项目实施方案，并结合抗震需求，对结构抗震设计方案进行优化和验证，促进设计水平的提升。

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