關于民用建筑抗震結構設計的研究

陳業平

【摘要】結構系統規劃，是不經由詳細數值分析，考慮抗震性能目標的高低而確定結構系統型式、結構配置、基礎形式、材料，經由經驗與簡便設計確定結構初步尺寸、規則性與不規則性、預期降伏與消能機制等，需設計者的經驗、直覺和判斷。本文從結構系統規劃、抗震建材的配置與抗震補強、民用建筑抗震設計施工經驗三個方面著手，對民用建筑抗震結構設計的相關議題進行了探討。

【關鍵詞】民用建筑；抗震結構；設計

1結構系統規劃

美國IBC相關規范以及國內建材設計規范，對國內現行抗震設計規范的結構系統與高度限制、平面與立面不規則性限制等提出研修方案，并規定各類結構系統的破壞機制。主要包括如下部分內容：一是，加強磚造、木造、SRC的設計宜配合建材設計相關規定。涉及規范不允許新建建筑物采用鋼筋混凝土造部分韌性抗彎矩構架（IMRF），但需要評估既有IMRF的抗震性能時，確保R=3.2；鋼造斜撐構架系統與場鑄鋼筋混凝土剪力墻系統，高度限制為50m，但若是在任一平面下斜撐或剪力墻的配置滿足以下所列的條件，則高度限制可以提高到75m：斜撐構架或剪力墻在任一立面中，其抵御的不含扭矩效應的地震力不得超過總橫力的50%，二是，由斜撐構架及剪力墻抵御的地震力中，由扭矩效應造成的地震力不得超過20%；目前國內尚無挫屈束制支撐構架與鋼造韌性桁架建材設計規范，若主管機關允許采用其他可信理論進行建材設計時，R與高度限制應參考相關資料，無相關資料者，應采用相應設計規范提供的韌性容量與高度限制。不規則性限制主要增加極度扭轉不規則性。對弱層的定義，除了原定義為該層強度與該層設計層剪力的比值低于其上層比值80%以外，增加破壞機制中有單一樓層或多層樓層各柱上、下端均出現塑鉸的情形，便于檢核。

抗震性能設計規范應具有彈性，提供建筑設計人員發揮的空間，特殊建筑物采用規范規定以外的未定義結構系統時，應根據可信理論自行初步設計后，檢核抗震性能目標與標準滿足要求即可。

2抗震建材的配置與抗震補強

抗震建材的配置影響整體建筑的偏心、剛性因素甚大：從另一個角度而言，一棟正確配置抗震建材的建筑物，能充分發揮各部位結構的強度，避免應力集中造成建筑破壞；而抗震補強則針對原本結構弱點予以補強，同樣可達到強化整體結構穩定性，使各部結構能發揮更高的效能，確保建筑的抗震性能。本節以立面抗震設計、剪力墻配置以及結構補強三個方面開展相關探討。

一是，立面抗震設計。事實上，高層建筑抗震建材最理想場所當屬立面，這也是立面作為抗震建材（如墻、斜撐、深梁、桁架等）設置時，對于建筑動線機能及室內空間等影響較少。抗震建材的設置不限于建筑物內，反之在周邊外圍上若處理得當則可獲理想的效果。高層建筑立面抗震系統可分為兩大類：一為連貫性均勻的立面格梁構架（facade grids）；其二為整體立面抗震結構（tota lfacade structures）。

二是，剪力墻的配置。剪力墻為建筑結構上一種相當具有抗震效能的方式，也是一般集合住宅常使用的抗震構件之一；剪力墻非單指鋼筋混凝土剪力墻而言，實際上具有抗震效果的均可視為抗震壁，如鋼筋混凝土剪力墻、桁架墻、剛構架墻、鋼骨斜撐墻等。同時，配置得宜的剪力墻可以相當程度地強化整體結構的抗震能力。高層建筑的結構系統配置應遵循下述3項原則：平面要求簡單且具規則性；抗震建材要求對稱；建筑物整體須具有抵抗扭矩的能力。對稱而東西則為不對稱，為使質量中心與抗震中心（即剛心）能夠盡量接近一致，故將剪力墻偏向左側配置。在剪力墻采用不連貫配置時，應特別注意連續部分建材的補強。非不得已剪力墻應上下貫通形成連續性的立面配置。剪力墻配置不宜過高。構架結構系統不足以單獨承受橫力時，一般均采用剪力墻與構架合併抵御橫力最為普遍。著種情況下。構筑剪力墻與樓板應一體澆置而成，其連接處的設計應特別注意需具有足夠傳遞剪力的能力。獨立的剪力墻若太高，不但不能幫助構架抵抗地震力，反會增加構架的負擔。

三是，結構補強。針對結構上也破壞的部位，增加板厚以及補強鋼筋。因功能上的特殊需求，不便于接面處設置伸縮縫時，則應在結構體應力集中處，增加板厚并施置補強鋼筋，補強鋼筋的施置不僅限于樓板，交接處的梁、柱等也應相對加強。

3民用建筑抗震設計施工經驗

各國民用建筑的設計、施工雖大同小異，但因應國情也有諸多細節設計與施工上的差異，對此本文提出幾點經驗證具有抗震效能的方式與相關專業者共同探討。

一是，建筑物在1F開放空間區域，盡量增加墻量比或將柱斷面放大，以減少弱層（軟腳）效應發生。建筑物的非結構性RC墻盡量能上下連續，且至少延伸到1F，以防止立面勁度的不規變化，導致弱層效應發生。結構系統上盡量避免短柱、短梁情況發生，以防止應力集中而造成破壞，柱最好全區配置緊密箍。在配筋上，勿采用水淬鋼筋，因降伏強度（Fy）太高，會降低韌性，而#5以下的小號數鋼筋可采用高拉鋼筋，以減少鋼筋用量，增加與混凝土之間握裹強度及施工性。梁跨度太大時，須先檢討梁的撓度，增加梁斷面及減少梁荷重單位面積（即間距縮短），盡量避免單跨梁、使梁挑出或加柱處理，則梁中央、端部的彎矩會較小。

二是，外墻及隔戶墻應當以15-18公分厚鋼筋混凝土為原則，并配置雙層雙排鋼筋，可強化整體結構的抗剪能力及防水、防火功能；因早期建筑物房屋外墻，大部分會龜裂滲水，主要因為外墻多為12公分厚，且排單層單排鋼筋加上水管、電管的配置，而外有太陽及內有空調的熱漲冷縮導致龜裂滲水。建筑立面高寬比為3：1較好，地震側力發生時容易產生偏心而倒塌，否則應另外處理，即打樁等。重心與剛心差太多，尤其轉角處店鋪騎樓外緣作挑梁沒有作柱子，地震時容易重心不穩倒塌。

三是，我國民用建筑常采用1-3樓挑空造成細長柱，因此在柱間加梁，使細長柱變為短柱及加粗柱子，能有效提升整體建筑的結構強度。鋼筋混凝土品質提升建議：由歷次地震后建筑物倒塌探討中得知混凝土強度不足（灌漿加水）及柱子端部箍筋間距太大，以致柱端混凝土壓碎爆裂倒塌，所以按相應法規規定柱子端部箍筋間距要低于10cm，確保綁扎。混凝土強度不夠，現場灌漿加水嚴重，建議修改法規，混凝土試體采樣時，應在混凝土剛灌好的板、梁、柱等各處各自采樣試體。控制管理水來源處使現場無法亂加水。或在工廠預鑄，運送至現場施作接合，能在工廠有效率控制品質；另有剪力墻、強梁弱柱、土壤液化等現象的問題，均須依照規定詳加設計并按圖例進行施工。

【參考文獻】

［１］王如平.鋼筋混凝土剪力墻結構的抗震概念設計[J].科技風，2008（01）．

［２］汪玉欣.高層建筑結構體系淺談[J].黑龍江科技信息，2011（04）．

［責任編輯：薛俊歌］