建筑抗震結(jié)構(gòu)設計探索

王曉琳 東芳

（1、北京市弘都城市規(guī)劃建筑設計院，北京 100045；2、中國核電工程有限公司，北京 100840）

分析已發(fā)生震害表明，許多平面形狀復雜，如平面上的外凸和凹進、側(cè)翼的過多伸懸、不對稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破壞。因此在建筑體型的設計中，應盡可能地使平面和空間的形狀簡潔、規(guī)則；盡可能少做外凸和內(nèi)凹的體型，盡可能少做不對稱的側(cè)翼和過長的伸翼。

1 抗震結(jié)構(gòu)設計的規(guī)定

避免或減輕砌體結(jié)構(gòu)的震害，主要是加強房屋的整體性和空間剛度，提高墻體的抗震受剪承載能力，加強構(gòu)件的相互連接。在具體設計時，應遵循以下各項規(guī)定。

1.1 應優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結(jié)構(gòu)體系。

1.2 縱橫墻的布置宜均勻?qū)ΨQ，沿平面內(nèi)宜對齊，沿豎向應上下連續(xù)；同一軸線上的窗間墻寬度宜均勻。

1.3 樓梯間不宜設置在房屋的盡端和轉(zhuǎn)角處。

1.4 房屋有下列情況之一時宜設置防震縫，縫兩側(cè)均應設置墻體，縫寬應根據(jù)烈度和房屋高度確定，可采用50～100mm:房屋立面高差在6m以上；房屋有錯層，且樓板高差較大；各部分結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量截然不同；煙道、風道、垃圾道等不應削弱墻體；當墻體被削弱時，應對墻體采取加強措施；不宜采用無豎向配筋的附墻煙囪及出屋面的煙囪。

1.5 不應采用無錨固的鋼筋混凝土預制挑檐。

2 建筑設計和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。體型復雜、平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，可按實際需要在適當部位設置防震縫，形成多個較規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。

3 結(jié)構(gòu)體系的選擇

結(jié)構(gòu)體系應根據(jù)建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟和使用條件綜合比較確定。

結(jié)構(gòu)體系應符合下列各項要求:應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；應避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載力；應具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力；對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。

結(jié)構(gòu)體系應符合下列各項要求:

宜有多道抗震防線。多道抗震防線是指:一個抗震結(jié)構(gòu)，應由若干延性較好的分體系組成，通過構(gòu)件的連接協(xié)同作用，有意識地在結(jié)構(gòu)內(nèi)部、外部建立一系列分布的屈服區(qū)，使結(jié)構(gòu)在先屈服的部分耗散大量的地震能量，而使最后的“防線”得以保存，便于結(jié)構(gòu)的修復。

例如，在有填充墻的框架結(jié)構(gòu)中，填充墻為第一道防線，框架為第二道防線；此時填充墻本身應有一定的剛度和承載能力，并均勻、對稱地布置在框架結(jié)構(gòu)中。在強烈地震的沖擊下，第一道防線遭受破壞后，結(jié)構(gòu)的動力特性(如自振周期等)得以改變，可使第二道防線承受的地展作用得以緩解和受到保護。

在高層鋼筋混凝土房屋中，應用較多的另一種結(jié)構(gòu)形式是框架一剪力墻體系 (在抗震設計中，剪力墻也稱為抗震墻)。剪力墻是第一道防線，框架為第二道防線。

在一般情況下，應優(yōu)先選擇不承受重力荷載的構(gòu)件，如上述的框架填充墻、軸壓比不太大的鋼筋混凝土剪力墻或柱間支撐、豎向支撐等作為第一道防線。

宜具有合理的剛度和承載力分布。建筑物承受的靜力荷載是基本穩(wěn)定的(如自重、樓面活荷載等)，而地震時所受的地震作用大小則與結(jié)構(gòu)的動力特性密切相關:建筑物的側(cè)移剛度越大，則自振周期越短，地震作用也越大，要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有較高的承載力。提高結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，往往以提高造價和降低結(jié)構(gòu)變形能力為代價，因此在確定結(jié)構(gòu)體系時，需要在剛度、承載力之間尋求較好的匹配關系。

結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近。此時，結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的地震反應相當，不致造成一個方向過強、一個方向過弱的現(xiàn)象。

根據(jù)房屋高度選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。從技術(shù)經(jīng)濟指標而言，各種結(jié)構(gòu)體系都有其最佳適用高度。

4 對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的規(guī)定

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應符合下列要求:應合理選擇混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，配置縱向受力鋼筋和箍筋，避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固粘結(jié)破壞先于構(gòu)件破壞；砌體結(jié)構(gòu)應按規(guī)定設置鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱、芯柱，或采用配筋砌體等；預應力混凝土的抗側(cè)力構(gòu)件，應配有足夠的非預應力鋼筋；鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應合理控制尺寸，避免局部失穩(wěn)或整個構(gòu)件失穩(wěn)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，應符合下列要求:構(gòu)件節(jié)點的破壞，不應先于其連接的構(gòu)件；預埋件的錨固破壞，不應先于連接件；裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，應能保證結(jié)構(gòu)的整體性；預應力混凝土構(gòu)件的預應力鋼筋，宜在節(jié)點核心區(qū)以外錨固。

5 建筑抗震結(jié)構(gòu)體系設計需要注意的問題

5.1 建筑平面布置設計問題

建筑物的平面布置在建筑設計中是十分重要的部分，它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距離、內(nèi)墻的布置、空間活動面積的大小、通道和樓梯的位置、電梯井的布置、房間的數(shù)量和布置等，都要在建筑的平面布置圖上明確下來。有的建筑平面布置上，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)隔墻不對齊或中斷，使剛度發(fā)生突變和地震力傳遞受阻，對抗震也帶來不利，客易引起結(jié)構(gòu)的局部破壞。建筑平面布置設計對建筑抗震關系很大，從概念上要解決的一個核心問題是：建筑平面布置設計上要盡可能做到使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布均勻，對稱協(xié)調(diào)，避免突變，防止產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應。在建筑平面布置的總體設計上要盡可能為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置創(chuàng)造條件，使建筑使用功能要求與建筑結(jié)構(gòu)抗震要求融合成一體，充分發(fā)揮建筑設計在建筑抗震中的作用。

5.2 建筑豎向布置設計問題

建筑的豎向布置設計問題在建筑設計中主要反映在建筑沿高度(樓層)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布設計上。無論是單層或多層，還是高層建筑或超高建筑，這個問題是比較突出的。存在的這個主要問題是，由于建筑使用功能的不同要求，如底層或下面幾層是商場、購物中心，建筑上要求是大柱距、大空間；而上面的樓層則是開間較大的寫字樓或布置多樣化的公寓樓，低層設柱、墻很少，而上面則是以墻為主，柱很少。有的建筑在布置上還設有面積很大的公用天井大廳，在不同樓層上設有大會議廳、展廳、報告廳等，建筑使用功能的不同，形成了建筑物沿高度分布的質(zhì)量和剛度的嚴重不均勻、不協(xié)調(diào)。

結(jié)語

建筑抗震結(jié)構(gòu)設計對建筑抗震起著重要的基礎作用。一個優(yōu)良的建筑抗震設計，必須是在建筑設計與結(jié)構(gòu)設計相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設計基礎上完成。為此，要充分重視結(jié)構(gòu)設計在建筑抗震設計中的重要性，在建筑抗震設計中更好地發(fā)揮建筑設計應有的作用。

[1] 熊丹安.建筑抗震設計簡明教程[M].華南理工大學出版社，2006.

[2] 李宏男.建筑抗震設計原理[M].中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[3] 豐定國.工程結(jié)構(gòu)抗震[M].地震出版社，2002.