淺析建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

王煉

摘要：隨著現(xiàn)代城市化水平的不斷提高，城市越來越多的建筑物被興建起來，因此人們越來越重視建筑物的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，并且建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的概念設(shè)計是對建筑抗震設(shè)計的宏觀控制，并且對保證建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和保障人們生命財產(chǎn)安全具有重大的意義。在工程的一開始從建筑的場地選擇、平立面形式、結(jié)構(gòu)布置、延性等方面從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和構(gòu)造措施，就有可能使設(shè)計出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。本文針對建筑物的結(jié)構(gòu)抗震概念進(jìn)行一系列的論述，希望可以供讀者參看。

關(guān)鍵詞：建筑場地；建筑結(jié)構(gòu)；抗震；概念設(shè)計

引言

人們越來越重視建筑物的抗震可靠度概念設(shè)計，較好的運(yùn)用抗震概念和原則是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的必要前提，并且建筑抗震工作一直是建筑設(shè)計和施工的重點。因此必須重視建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計，要求設(shè)計人員須將結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計與計算分析及構(gòu)造措施有機(jī)地結(jié)合起來考慮，并且同時也要做好相關(guān)方面的其他各項工作，以保證設(shè)計構(gòu)思的實現(xiàn)。

1.建筑物抗震概念設(shè)計相關(guān)內(nèi)容

抗震概念設(shè)計是抗震設(shè)計中的一個主要組成部分，其是基于震害經(jīng)驗建立的抗震基本原則和思想，包括工程結(jié)構(gòu)的總體布置和細(xì)部構(gòu)造。概念設(shè)計的基本內(nèi)容主要有建筑場地選擇；建筑選型與結(jié)構(gòu)布置；設(shè)置多道抗震防線；剛度、承載力和延性的匹配；結(jié)構(gòu)整體性的確保；非結(jié)構(gòu)部件處理。

2.影響建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的不確定因素

近年來，我國地震災(zāi)害事情頻繁發(fā)生，因此做好建筑物抗震性能設(shè)計已成為當(dāng)今社會人們關(guān)注的重點課題之一。但是目前我國抗震設(shè)計水平遠(yuǎn)未達(dá)到科學(xué)的嚴(yán)密程度，這就要求在進(jìn)行抗震設(shè)計時應(yīng)從大的方面入手，做好抗震概念設(shè)計工作；并且通過震害分析加強(qiáng)建筑物的破壞規(guī)律的認(rèn)識，從而取得了抗震設(shè)計經(jīng)驗，確定了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的要點。

2.1地面運(yùn)動不確定性

眾所周知，在地震時的地面運(yùn)動是多維的，地震動的各個分量對建筑物都起破壞作用。歷次地震中強(qiáng)震儀已經(jīng)多次記錄到地面運(yùn)動的三個正交平動分量，即一個豎向分量和兩個水平分量，此外還有地面運(yùn)動的轉(zhuǎn)動分量。

2.2結(jié)構(gòu)分析影響

在地震概念設(shè)計中影響結(jié)構(gòu)動力特性和動力反應(yīng)的因素有很多，如質(zhì)量分布的不確定性；基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用；節(jié)點的非剛性轉(zhuǎn)動；偏心、扭轉(zhuǎn)及P-A效應(yīng)；柱軸向變形。考慮或不考慮節(jié)點非剛性轉(zhuǎn)動的影響程度可達(dá)5～10%；考慮柱軸向變形，自振周期可能加長15%，加速度反應(yīng)可能降低8%；考慮P-A效應(yīng)可能增加位移10%。

2.3材料的影響

混凝土的彈性模量隨著時間及應(yīng)變程度而改變。隨著時間的增長，混凝土的彈性模量比施工完成后可能降低50%，在應(yīng)變增大的情況下還可能繼續(xù)降低，這意味著自振周期可能增長25%，減小加速度反應(yīng)10%。

2.4阻尼的變化

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比一般為5%，但當(dāng)受震松動以后阻尼比可達(dá)20-30%，自振周期差異達(dá)50%左右。如某項工程中一般阻尼比為10%，但是當(dāng)收到松動后阻尼比就變成25%，此時的自振周期就為65%。

2.5基礎(chǔ)差異沉降的影響

基礎(chǔ)差異沉降的影響。按一般荷載設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鹣禂?shù)采用0.10，基礎(chǔ)差異沉降1cm可能造成設(shè)計彎矩72%的誤差，而這種誤差在設(shè)計中一般未予考慮。

2.6地基承載力

地基承載力。考慮地震的偶然性以及短期突然加載的影響，在計算地震對地基的影響時，地耐力取值往往提高33-50%，這些數(shù)值都是人為估計，從而也帶來設(shè)計上的差異。

3.建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

3.1選擇合理的場地

在進(jìn)行建筑物場地選擇時，首先要遵守場地選擇的原則，挑選對建筑抗震有利的地段，盡可能避開對建筑抗震不利的地段；任何情況下均不得在抗震危險地段上，建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟(jì)損失的建筑物，避開抗震危險地段，選擇好的抗震場所。

建筑物抗震危險地段一般是指地震時可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度為Ⅷ度以上的發(fā)震斷裂帶在地震時可能發(fā)生地表錯位的地段。

發(fā)震斷層：在過去3.5萬年以內(nèi)曾活動過一次，或在5萬年內(nèi)活動過兩次的地質(zhì)構(gòu)造上的斷層。

非發(fā)震斷層：與當(dāng)?shù)氐牡卣鸹顒有詻]有成因上聯(lián)系的一般斷層，在地震時一般不會發(fā)生新的錯動，并且地下采空區(qū)屬于危險地段。

不利于抗震的地段：地形上是指條狀突出的山嘴，孤立的山包和山梁的頂部，高差較大的臺地邊緣，非巖質(zhì)的陡坡，河岸和邊坡的邊緣；從土質(zhì)上是指軟弱土、以液化土，故河道、斷層破碎帶、暗埋塘濱溝谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的地段。

對于上述不利地段，應(yīng)提出避開要求；當(dāng)無法避開時，應(yīng)采取有效措施。而選擇有利于抗震的場地一般是指位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土。在選擇高層建筑的場地時，應(yīng)盡量建在基巖或薄土層上，或應(yīng)建在具有較大“平均剪切波速”的堅硬場地土上，以減少輸入建筑物的地震能量，從根本上減輕地震對建筑物的破壞作用。

3.2建筑的平立面布置

一幢房屋的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑的平、立面布置宜規(guī)則、對稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，避免樓層錯層，因為對稱的結(jié)構(gòu)容易估計其地震時的反應(yīng)，容易采取構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理。地震區(qū)的高層建筑，平面以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形也可以；不宜采用有較長翼緣的L形、T形、U形、H形、Y形等平面形狀，同時也要注意不規(guī)則的平面類型布局和建筑物的立面布置，在地震區(qū)高層建筑的立面應(yīng)采用矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀，盡量避免帶有突然變化的階梯形立面。如圖1建筑立面布置圖。

3.3結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)材料的選擇要從抗震角度考慮，作為一種好的結(jié)構(gòu)材料，其結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具備：延性系數(shù)高（如鋼結(jié)構(gòu)）；強(qiáng)度，重力比值大（如輕質(zhì)高強(qiáng)材料）；勻質(zhì)性好；正交各向同性（變形相同）；構(gòu)件的連接具有整體性、連續(xù)性和較好的延性；并能發(fā)揮材料的全部強(qiáng)度。

現(xiàn)在建筑物一般采用混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)為其具有現(xiàn)場澆筑，整體性好、就地取材、造價較低、有較好的抗側(cè)移剛度和保護(hù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及良好的設(shè)計可保證結(jié)構(gòu)的延性等優(yōu)點，但是其在周期性往復(fù)荷載作用下，剛度因裂縫而降低；構(gòu)件開裂處鋼筋的塑性拉伸，使裂縫不能閉合；在低往復(fù)荷載下，桿件塑性鉸區(qū)混凝土產(chǎn)生反向裂縫導(dǎo)致混凝土破碎，產(chǎn)生永久性的剪切滑移。因此正確認(rèn)識建筑物抗震機(jī)構(gòu)，才能確保建筑物的穩(wěn)定性。

3.4確保結(jié)構(gòu)的整體性

建筑物的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有連續(xù)性，因此采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其整體性和連續(xù)性較好，薄弱部位——施工縫；半預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)預(yù)制樓板端部做成齒槽狀，將少數(shù)肋伸入混凝土墻內(nèi)，保證整體性。

3.5剛度、承載力和延性的匹配

建筑并不是愈剛愈好，二者應(yīng)相互匹配，要剛度、承載力要與延性想匹配：①鋼筋混凝土剪力墻體系就是適應(yīng)這一觀念而設(shè)計的，其特點為抗側(cè)移剛度大，自振周期較短，地震作用較大；若增加墻厚和數(shù)量、減小橫墻間距，則剛度增加，但地震反應(yīng)加大。②框架一剪力墻結(jié)構(gòu)可能會因承載力不足而破壞，其自振周期的大小決定于抗震墻的數(shù)量。數(shù)量少而薄，剛度低，周期就長，地震剪力就小，但抗側(cè)移能力也低。③就是剛性與延性這對于有框架和抗震墻或由框架和支撐組成的雙重體系中，框架剛度小，承擔(dān)的地震剪力小，而彈性極限變形大；墻體或豎向支承剛度大，承擔(dān)的地震剪力大，而彈性極限變形小；在往復(fù)地震動的作用下，墻體和支承由于彈性變形能力差而出現(xiàn)裂縫、桿件屈曲，水平抗力降低，而此時的結(jié)構(gòu)層問位移角遠(yuǎn)小于框架的彈性極限變形值，框架的水平抗力未得到發(fā)揮；由于體系中各抗側(cè)力構(gòu)件的剛度與延性的不匹配，造成各構(gòu)件不能同步協(xié)調(diào)地發(fā)揮水平抗力，出現(xiàn)先后破壞的各個擊破情況。

4.結(jié)束語

綜上所述，在面對日益重要的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，以及近年來多發(fā)地震災(zāi)害，加強(qiáng)建筑物的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為目前我國建筑工程建設(shè)中的首要任務(wù)。因此加強(qiáng)設(shè)計人員在日常設(shè)計工作中，必須學(xué)會熟練運(yùn)用概念設(shè)計，并使這一理念貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的整個過程當(dāng)中，既要嚴(yán)格把握好設(shè)計的大原則，又要全面考慮諸多因素，最終才能保證設(shè)計的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，為社會創(chuàng)造更多精品工程。

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收稿日期：2013-4-24