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

朱 明

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司,四川成都610042)

地震是最常見的自然災(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經(jīng)濟的發(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。在實際工作中，因為工民建抗震設(shè)計不夠完善，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，必須根據(jù)抗震要求，結(jié)合建筑設(shè)計標準，遵守制度，利用科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式，來確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(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或加厚材料的方法來抗震。這種方法比較簡單，操作性方便，但投入多，經(jīng)濟性差，對建筑物體整體而言，抗震效果不好。還有一種比較常用的減震方法,采用橡膠隔震墊對建筑物體進行加固。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，但是在實際的施工中帶來了麻煩和困難，無法得到廣泛應(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)點發(fā)生滑動或平移時，消能器就可以產(chǎn)生強的阻力來吸收地震的能量，達到減震的效果，提高整體的抗震能力。這類方法可在高柔結(jié)構(gòu)中適用，能增強結(jié)構(gòu)的剛度，縮短位移。這些方法都能夠達到減震的作用，但是當(dāng)我們從事結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮到概念設(shè)計，依靠概念設(shè)計達到全局抗震的目的。

2 建筑結(jié)構(gòu)防震技術(shù)優(yōu)點缺點

地震從開始到振動，持續(xù)時間只有十幾秒至幾十秒。針對常用的建筑結(jié)構(gòu)防震技術(shù)而言，包括兩個方面：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)計方法，通過結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計，提高建筑的抗破壞能力，通過結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計，提高建筑的抗變形能力，通過結(jié)構(gòu)的塑形設(shè)計，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的，是以隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)來實現(xiàn)。下面簡單介紹一下這兩種抗震技術(shù)的優(yōu)點缺點：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，提高混凝土標號等來提高建筑物自身的剛度和延性，達到抗震的目的。優(yōu)點：經(jīng)過長期的發(fā)展，有一套比較成熟的理論，實踐經(jīng)驗豐富，技術(shù)比較成熟。缺點：當(dāng)增大建筑物剛度的同時，也會引起地震加速度增大，所遭受地震效應(yīng)更強；建筑結(jié)構(gòu)自身剛度無論多大，當(dāng)遇到強烈地震作用時，抵抗能力卻有限。在柔性抗震法中運用的隔震技術(shù)，在20世紀90年代開始使用，依托國家“八五”科技攻關(guān)項目，完成隔震技術(shù)從產(chǎn)品研制、設(shè)計方法到施工技術(shù)的研究。當(dāng)我們在使用隔震技術(shù)的方案時需要注意：該技術(shù)對底層和多層建筑效果比較明顯；在硬土場地比較適合搭建隔震建筑。因為當(dāng)?shù)卣饡r，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)的安全性和實用性還需要進一步加強；雖然設(shè)計人員已經(jīng)認識或認同此項技術(shù)，但是未能熟練掌握和運用，同時采用消能減震或隔震技術(shù)來建設(shè)房屋或建筑物，必然會增加建設(shè)投資，這些即為不足。

3 概念設(shè)計

在討論概念設(shè)計之前，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)計的耐久性要求。

所謂概念設(shè)計就是說在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，運用以前的結(jié)構(gòu)設(shè)計中已知知識和經(jīng)驗，更進一步地解決一些重要問題，如：建筑結(jié)構(gòu)的形狀、體系或建筑物構(gòu)件的延性等問題。概念設(shè)計需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)之上進行宏觀性的綜合考慮來減少地震對建筑物的損害性。概念設(shè)計主要體現(xiàn)在方案設(shè)計階段，此時需要結(jié)構(gòu)工程師運用結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念，將設(shè)計知識和設(shè)計經(jīng)驗結(jié)合實際，設(shè)計一種安全可靠低成本的設(shè)計方案。也可在設(shè)計的時候運用概念性估算法，在最初設(shè)計階段高效的多種設(shè)計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確，而且經(jīng)濟可行，省掉了很多麻煩的步驟。根據(jù)最新的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011-2001)》(以下簡稱規(guī)定)的規(guī)定中，有一些沒有具體的規(guī)定，如中震可修的設(shè)防目標等，但是在我們實際的抗震設(shè)計中，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)展到什么程度這個需要看設(shè)計師對建筑物的結(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)計并不是簡單的、按照規(guī)范去依靠計算機設(shè)計，設(shè)計結(jié)果勢必滿足不了要求。我們在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須遵循規(guī)范，結(jié)合實際情況，加上設(shè)計師的經(jīng)驗，把概念設(shè)計融入到設(shè)計規(guī)范中。《規(guī)定》要求在建筑物的內(nèi)部設(shè)計大地震動反應(yīng)觀測系統(tǒng)，還需要在設(shè)計時注意組織結(jié)構(gòu)與地面的共振問題。因此，當(dāng)從事概念設(shè)計是要考慮到場地的條件，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)計結(jié)果在組織結(jié)構(gòu)上滿足強度大、剛度好，具有延性而且節(jié)能的設(shè)計結(jié)果。

4 展望建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的前景

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，它通過調(diào)整結(jié)構(gòu)動力特性、隔震、消能或控制來達到抗震的目的，在未來的工民建中結(jié)構(gòu)抗震的思路不斷開闊，有效促進工民建建筑的健康發(fā)展。

我國是一個人口密集的“大家”，地震的發(fā)生，對人民生命財產(chǎn)造成極大的損失，增強建筑物的抗震能力就成了我們的研究內(nèi)容。經(jīng)過工民建中多年的抗震探索和研究，總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗引入了概念設(shè)計的新理念。這種設(shè)計理念從宏觀角度對建筑抗震結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在某些方面彌補了以后設(shè)計思路對抗震結(jié)構(gòu)思考的不足之處，也為未來工民建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計開辟了新道路。

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