建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)

劉 秦 王 濤

1 黃河科技學(xué)院（450063） 2 鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司（450002）

0 概述

地震是一種自然現(xiàn)象，由于地震動具有明顯的不確定性和復(fù)雜性,人們對地震規(guī)律的認(rèn)識不足，所以，破壞性地震對人類而言是一種巨大的自然災(zāi)害。為了減輕地震災(zāi)害，有必要進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。歷次震害經(jīng)驗(yàn)表明，建筑的抗震設(shè)計(jì)仍依賴于設(shè)計(jì)人員的抗震設(shè)計(jì)理念，抗震概念設(shè)計(jì)比計(jì)算設(shè)計(jì)更為重要。抗震概念設(shè)計(jì)，指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體布置和確定細(xì)部構(gòu)造，從而合理地進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，減輕震害。

1 建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)

1.1 選擇有利抗震的場地

除地震直接引起的結(jié)構(gòu)破壞外，由地震引起的地表錯動、地裂、地基土的不均勻沉陷、滑坡及粉土的液化等場地條件的原因也會造成建筑破壞，大量的震害證實(shí)，建筑場地的地質(zhì)條件與地形地貌對建筑物有顯著影響。因而抗震概念設(shè)計(jì)的首要要求就是選擇有利抗震的場地,避開不利地段，不在危險地段進(jìn)行工程建設(shè)。當(dāng)確實(shí)需要在不利或危險場地進(jìn)行工程建設(shè)時，需結(jié)合地震活動和工程地質(zhì)資料進(jìn)行綜合評價,并采取必要的抗震措施。地基設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列要求∶

1）同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)在性質(zhì)截然不同的地基上；同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜部分采用天然地基及部分采用樁基；當(dāng)采用不同基礎(chǔ)類型或基礎(chǔ)埋深顯著不同時,應(yīng)根據(jù)地震時兩部分的差異，在基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)相關(guān)部位采取相應(yīng)措施，如在高層建筑主樓和群房不分縫的情況下，需要仔細(xì)分析不同地基在地震下變形差異及上部結(jié)構(gòu)各部分地震反應(yīng)差異再采取相應(yīng)措施。

2）山區(qū)建筑場地勘察應(yīng)有邊坡穩(wěn)定性評價和防治方案建議，因地制宜地設(shè)置邊坡工程；邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)符合規(guī)范要求,有關(guān)摩擦角應(yīng)按設(shè)防烈度修正；山區(qū)建筑距邊坡邊緣應(yīng)留有足夠的距離。

1.2 抗震建筑形體規(guī)則性

考慮抗震性能對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性的影響，結(jié)構(gòu)布置原則宜滿足∶平立面布置規(guī)則對稱，側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度自下而上逐漸減小,避免側(cè)向剛度突變。結(jié)構(gòu)剛度如存在突然削弱的薄弱層，則會在地震中引起變形集中，如結(jié)構(gòu)頂部剛度較小時會出現(xiàn)“鞭梢效應(yīng)”。合理的建筑形體和布置在抗震設(shè)計(jì)中尤為重要，因?yàn)楹唵螌ΨQ的結(jié)構(gòu)地震時不易損壞，而且容易估計(jì)結(jié)構(gòu)地震時的反應(yīng)，易于采取抗震構(gòu)造措施。對于體形復(fù)雜、平立面不規(guī)則的建筑，可采用符合實(shí)際的計(jì)算模型分析，或在適當(dāng)部位設(shè)置防震縫，形成多個較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元，避免地震破壞產(chǎn)生嚴(yán)重后果[1]。

1.3 綜合考慮結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)體系應(yīng)綜合考慮建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素來確定。

首先，抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，這對提高結(jié)構(gòu)的抗震性能十分有利，是結(jié)構(gòu)選型和布置構(gòu)件抗側(cè)力體系的首要考慮因素。其次，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力及對重力荷載的承載能力。再次，應(yīng)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(yīng)采取措施提高其抗震能力。最后，尚需注意多道防線和抗震薄弱部位塑性變形集中，結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近，如強(qiáng)柱弱梁型框架結(jié)構(gòu)或雙肢剪力墻加連梁結(jié)構(gòu)，存在兩道抗震防線，一是梁出現(xiàn)塑性鉸，二是柱根或剪力墻底部發(fā)生損壞，這兩道防線之間結(jié)構(gòu)的彈塑性變形可消耗大量地震能量，可以通過采用超靜定結(jié)構(gòu)、設(shè)置人工塑性鉸或設(shè)置耗能元件來實(shí)現(xiàn)多道防線。還可以通過一些構(gòu)造措施和耗能手段來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，以結(jié)構(gòu)一定塑性變形消耗地震能量，如混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用圈梁構(gòu)造柱體系、墻體配筋等措施[2]。

1.4 重視非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

建筑結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中的損壞允許大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件，但非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震損壞會影響結(jié)構(gòu)安全和使用功能，應(yīng)引起重視。

建筑結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括∶

1）附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如女兒墻、高低跨封墻、雨棚等，應(yīng)加強(qiáng)其自身的整體性,并與結(jié)構(gòu)構(gòu)件有可靠的連接,錨固。

2）裝飾構(gòu)件，如貼面、頂棚、幕墻等，應(yīng)與結(jié)構(gòu)構(gòu)件有可靠的連接,避免脫落傷人。

3）圍護(hù)墻和隔墻。通常結(jié)構(gòu)分析中非結(jié)構(gòu)墻體常被略去,但在實(shí)際地震中對結(jié)構(gòu)的抗震卻產(chǎn)生重要的影響。非結(jié)構(gòu)墻體能縮短結(jié)構(gòu)自振周期，改變結(jié)構(gòu)的剛度分布，從而改變地震效應(yīng)在結(jié)構(gòu)中的分配。非結(jié)構(gòu)墻體與主體結(jié)構(gòu)的連接可分為柔性連接和剛性連接，柔性連接在布置上要避免與主體結(jié)構(gòu)共同工作，如砌體填充墻與框架柱的連接宜采用柔性連接或彼此脫開，計(jì)算時只考慮質(zhì)量，不考慮其強(qiáng)度和剛度的影響，構(gòu)造上能保證其在水平方向自由變形，但要防止平面外倒塌。框架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻和隔墻應(yīng)視為剛性連接，要分擔(dān)地震作用，計(jì)算時要考慮其質(zhì)量、剛度和強(qiáng)度，在構(gòu)造上要與主體結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合。處理好非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主體構(gòu)件的關(guān)系，可防止附加災(zāi)害[3]。

2 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿于建筑方案的確定到結(jié)構(gòu)布置的整個過程中，只有建筑師和結(jié)構(gòu)師良好地配合,才能設(shè)計(jì)出抗震性能良好的建筑。抗震設(shè)計(jì)往往需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算分析，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采用則提高了抗震分析計(jì)算能力,但計(jì)算軟件的應(yīng)用如計(jì)算模型的建立、設(shè)計(jì)參數(shù)、建筑材料、荷載的合理取值需要依賴設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而地震存在很大程度上的不確定性，所以建筑結(jié)構(gòu)的抗震不能僅靠計(jì)算解決，抗震概念設(shè)計(jì)比計(jì)算設(shè)計(jì)更為重要。

合理的抗震概念設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要意義，只有對建筑場地、建筑形體、結(jié)構(gòu)體系、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接等方面合理的選型與布置，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為結(jié)構(gòu)計(jì)算創(chuàng)造有利條件，才能有效控制建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)，達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]李國強(qiáng).建筑抗震設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[4]李展開.淺談對建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的理解[J].山西建筑,2009.

[5]王亞勇.汶川地震建筑災(zāi)害啟示—抗震概念設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008.