論工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)研究

朱 明

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610042)

地震是最常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，不管是2008年汶川大地震還是2013年的蘆山地震，都在很大程度上影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們的安定與生存安全。因此，最有效的方法就是做好抗震設(shè)計(jì)。在實(shí)際工作中，因?yàn)楣っ窠拐鹪O(shè)計(jì)不夠完善，最終導(dǎo)致房屋造成很大的損害。因此，當(dāng)我們盡力降低地震災(zāi)害影響時(shí)，必須根據(jù)抗震要求，結(jié)合建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，遵守制度，利用科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式，來(lái)確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量及建筑的安全。

1 工民建結(jié)構(gòu)抗震的現(xiàn)狀和技術(shù)

在我們傳統(tǒng)的建筑抗震中，一般是通過(guò)給建筑物體結(jié)構(gòu)增加抵抗力，在建筑物體結(jié)構(gòu)薄弱的地方或容易被地震破壞的地方加強(qiáng)或加厚材料的方法來(lái)抗震。這種方法比較簡(jiǎn)單，操作性方便，但投入多，經(jīng)濟(jì)性差，對(duì)建筑物體整體而言，抗震效果不好。還有一種比較常用的減震方法,采用橡膠隔震墊對(duì)建筑物體進(jìn)行加固。這種方法在施工中必須將已有的結(jié)構(gòu)在底部階段，或在其中間安裝上橡膠隔震墊，雖然比上一種方法效果好，但是在實(shí)際的施工中帶來(lái)了麻煩和困難，無(wú)法得到廣泛應(yīng)用或推廣。還有一種方法就是創(chuàng)建消能減震體系，由主體結(jié)構(gòu)和裝有消能器的消能配件組成，當(dāng)配件(構(gòu)件)或節(jié)點(diǎn)發(fā)生滑動(dòng)或平移時(shí)，消能器就可以產(chǎn)生強(qiáng)的阻力來(lái)吸收地震的能量，達(dá)到減震的效果，提高整體的抗震能力。這類方法可在高柔結(jié)構(gòu)中適用，能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，縮短位移。這些方法都能夠達(dá)到減震的作用，但是當(dāng)我們從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到概念設(shè)計(jì)，依靠概念設(shè)計(jì)達(dá)到全局抗震的目的。

2 建筑結(jié)構(gòu)防震技術(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

地震從開始到振動(dòng)，持續(xù)時(shí)間只有十幾秒至幾十秒。針對(duì)常用的建筑結(jié)構(gòu)防震技術(shù)而言，包括兩個(gè)方面：①剛性抗震、②柔性抗震。剛性抗震的方法就是我們傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，提高建筑的抗破壞能力，通過(guò)結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)，提高建筑的抗變形能力，通過(guò)結(jié)構(gòu)的塑形設(shè)計(jì)，提高建筑的延性和防倒塌能力。而柔性抗震法，這種方法是科技人員研究出來(lái)的，是以隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面簡(jiǎn)單介紹一下這兩種抗震技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)：目前世界各地多數(shù)采用剛性抗震，其結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。主要靠加大抗側(cè)力構(gòu)件，如梁、柱的截面。增大配筋，提高混凝土標(biāo)號(hào)等來(lái)提高建筑物自身的剛度和延性，達(dá)到抗震的目的。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，有一套比較成熟的理論，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)比較成熟。缺點(diǎn)：當(dāng)增大建筑物剛度的同時(shí)，也會(huì)引起地震加速度增大，所遭受地震效應(yīng)更強(qiáng)；建筑結(jié)構(gòu)自身剛度無(wú)論多大，當(dāng)遇到強(qiáng)烈地震作用時(shí)，抵抗能力卻有限。在柔性抗震法中運(yùn)用的隔震技術(shù)，在20世紀(jì)90年代開始使用，依托國(guó)家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，完成隔震技術(shù)從產(chǎn)品研制、設(shè)計(jì)方法到施工技術(shù)的研究。當(dāng)我們?cè)谑褂酶粽鸺夹g(shù)的方案時(shí)需要注意：該技術(shù)對(duì)底層和多層建筑效果比較明顯；在硬土場(chǎng)地比較適合搭建隔震建筑。因?yàn)楫?dāng)?shù)卣饡r(shí)，如果是隔震建筑的話，其變形主要集中在隔震層，隔震一般可使上部結(jié)構(gòu)和水平地震加速反應(yīng)降低60 %～70 %左右，從而消除或有效減輕結(jié)構(gòu)的地震損壞。還有一種消能減震技術(shù)，它是通過(guò)附加阻尼或阻尼器的非線性滯變耗能減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生損傷或小的地震損傷。所以消能減震技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是比較多的：消能部件不承受結(jié)構(gòu)重力；消能減震技術(shù)不受結(jié)構(gòu)類型限制，適用于延性結(jié)構(gòu)；消能減震技術(shù)可以有效減少結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下位移和加速度響應(yīng)。由于這種新技術(shù)還處在理論、發(fā)展和完善階段，某些技術(shù)的安全性和實(shí)用性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)；雖然設(shè)計(jì)人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)或認(rèn)同此項(xiàng)技術(shù)，但是未能熟練掌握和運(yùn)用，同時(shí)采用消能減震或隔震技術(shù)來(lái)建設(shè)房屋或建筑物，必然會(huì)增加建設(shè)投資，這些即為不足。

3 概念設(shè)計(jì)

在討論概念設(shè)計(jì)之前，不得不提的一種建筑結(jié)構(gòu)：鋼結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))，在通常情況下，它的抗震能力是最強(qiáng)的，自身柔韌性好，但是這種結(jié)構(gòu)需要大量的鋼材，所以成本較高，容易被腐蝕，不符合建筑設(shè)計(jì)的耐久性要求。

所謂概念設(shè)計(jì)就是說(shuō)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，運(yùn)用以前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已知知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，更進(jìn)一步地解決一些重要問(wèn)題，如：建筑結(jié)構(gòu)的形狀、體系或建筑物構(gòu)件的延性等問(wèn)題。概念設(shè)計(jì)需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行宏觀性的綜合考慮來(lái)減少地震對(duì)建筑物的損害性。概念設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在方案設(shè)計(jì)階段，此時(shí)需要結(jié)構(gòu)工程師運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念，將設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際，設(shè)計(jì)一種安全可靠低成本的設(shè)計(jì)方案。也可在設(shè)計(jì)的時(shí)候運(yùn)用概念性估算法，在最初設(shè)計(jì)階段高效的多種設(shè)計(jì)方案中選擇最適合的方案。采用這種概念性估算法不但定性準(zhǔn)確，而且經(jīng)濟(jì)可行，省掉了很多麻煩的步驟。根據(jù)最新的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2001)》(以下簡(jiǎn)稱規(guī)定)的規(guī)定中，有一些沒(méi)有具體的規(guī)定，如中震可修的設(shè)防目標(biāo)等，但是在我們實(shí)際的抗震設(shè)計(jì)中，不能完全按照規(guī)范，應(yīng)該發(fā)展和繼承的去應(yīng)用規(guī)范。發(fā)展到什么程度這個(gè)需要看設(shè)計(jì)師對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)與分體之間的力學(xué)關(guān)系了解透徹程度。我們必須了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不是簡(jiǎn)單的、按照規(guī)范去依靠計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果勢(shì)必滿足不了要求。我們?cè)诮ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須遵循規(guī)范，結(jié)合實(shí)際情況，加上設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，把概念設(shè)計(jì)融入到設(shè)計(jì)規(guī)范中?！兑?guī)定》要求在建筑物的內(nèi)部設(shè)計(jì)大地震動(dòng)反應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)，還需要在設(shè)計(jì)時(shí)注意組織結(jié)構(gòu)與地面的共振問(wèn)題。因此，當(dāng)從事概念設(shè)計(jì)是要考慮到場(chǎng)地的條件，地面的穩(wěn)定性，材料的選擇，抗震體系結(jié)構(gòu)的選取等。使設(shè)計(jì)結(jié)果在組織結(jié)構(gòu)上滿足強(qiáng)度大、剛度好，具有延性而且節(jié)能的設(shè)計(jì)結(jié)果。

4 展望建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的前景

結(jié)構(gòu)抗震體系由傳統(tǒng)的“硬抗”為主的抗震體系走向“柔抗”為主的結(jié)構(gòu)減震控制體系發(fā)展。而這種“柔抗”新概念，它通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、隔震、消能或控制來(lái)達(dá)到抗震的目的，在未來(lái)的工民建中結(jié)構(gòu)抗震的思路不斷開闊，有效促進(jìn)工民建建筑的健康發(fā)展。

我國(guó)是一個(gè)人口密集的“大家”，地震的發(fā)生，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損失，增強(qiáng)建筑物的抗震能力就成了我們的研究?jī)?nèi)容。經(jīng)過(guò)工民建中多年的抗震探索和研究，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)引入了概念設(shè)計(jì)的新理念。這種設(shè)計(jì)理念從宏觀角度對(duì)建筑抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在某些方面彌補(bǔ)了以后設(shè)計(jì)思路對(duì)抗震結(jié)構(gòu)思考的不足之處，也為未來(lái)工民建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)開辟了新道路。

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