淺談當代房屋建筑結構抗震設計

葛雄宗

（華藍設計（集團）有限公司 廣西南寧 530011）

淺談當代房屋建筑結構抗震設計

葛雄宗

（華藍設計（集團）有限公司 廣西南寧 530011）

近年來我國地震災害頻繁發生，房屋建筑結構抗震設計已經引起了人民和相關部門的廣泛關注。地震作為一種無法準確預測的突發毀滅性自然災害對房屋危害極為嚴重，嚴重威脅人們的生命財產安全。所以大力加強房屋建筑結構抗震設計，提高建筑整體抗震性能具有很重要的現實意義。

房屋建筑；建筑結構；抗震設計；多道抗震防線；延性設計

1 前言

當代房屋建筑結構抗震設計應基于抗震概念設計，結合科學的抗震模擬計算措施和抗震構造措施，把控抗震設計的質量關鍵節點，并逐點落實于實際結構設計，從而使得結構具備優良的抗震性能和足夠安全的可靠度；應立足抗震概念設計及國家規范，并于實際設計中準確且靈活地運用它們對建筑結構主要部位、關鍵部位及短板進行針對設計，在未落實施工的設計階段就消除建筑抗震薄弱環節的隱患，提高建筑整體的抗震性能。本文結合一些廣西的實際情況，從場地選擇與基礎設計、結構布置、結構選型、多道抗震防線、剛度和強度匹配、結構的延性等幾個主要方面，初步探討了建筑結構抗震設計。

2 廣西抗震設防概述

廣西位于亞歐板塊內部華南地震帶上，處于內陸比較弱的活動地震帶，運動水平較低，其運動速度僅為2mm/年。按照國家抗震設防的烈度區劃圖，廣西除少數市縣處于抗震設防Ⅶ度區外，大部地區為抗震設防Ⅵ度區域，也有少部分地區為非抗震設防區域。結合《建筑工程抗震設防分類標準》，廣西的標準設防類房屋的必須要按地區相應的設防烈度進行抗震設計，而對于非抗震設防地區（如廣西來賓市），有相應的地方文件作抗震設防的要求。

3 場地選擇與基礎設計

建筑場地應選擇對建筑抗震有利的地段，避開可能發生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流及地表錯位等的抗震不利地段。抗震有利場地是指開闊平坦地的堅硬場地和密實均勻的中硬場地，一般即對應勘察報告的Ⅰ、Ⅱ類場地場。場地選擇應根據實際地質情況作決定，首先選擇抗震有利的場地，必須在不利的場地建設時應進行針對的加強設計，禁止在抗震危險場地建造抗震建筑。廣西為山地丘陵性盆地地貌，基本特征是：盆地大小相雜，山系多呈弧形且層層相套，丘陵、平地及喀斯特地貌錯綜廣布。廣西的工程場地多為Ⅱ類場地，但由于區域地貌的特殊性，尤其容易出現場地及土層分布不均勻，巖石和土甚至軟弱地基交叉的場地情況，設計時更應對場地及基礎持力層做出正確的選擇，從根基上保證結構的牢固。廣西常采取的基礎類型多為天然基礎（獨立基礎、筏板基礎）及樁基礎（大直徑灌注樁、預制樁）。基于廣西地貌容易出現巖石和土層分布不均、持力層埋深不同的復雜場地，工程師進行結構設計時應特別注意同一結構單元避免部分采用天然地基部分采用樁基的形式，且同一結構單元的基礎避免設置在性質截然不同的地基上；當地基為抗震不利地基時，應采取地基加固處理等措施，消除抗震不利條件。

4 結構布置

建筑形體及平立面布置應規則和對稱，這是抗震結構布置最基本的原則。不規則的建筑方案應按規定采取加強措施；特別不規則的建筑方案應進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；不應采用嚴重不規則的建筑方案[1]。結構平面布置應簡單、規則、對稱及減少偏心，這決定了建筑結構平面形狀方案應以最簡單規則的正方形、限制長寬比的矩形、圓形為主，而結構單體應杜絕長翼緣的L形、H形、Y形等凹凸不規則或樓板不連續的平面；結構立面布置應遵循沿結構高度剛度均勻變化、結構重心低置的原則，對應的可采用矩形、梯形或三角形等均勻變化的幾何形狀，避免突然收進或挑出的階梯形或頭重腳輕的倒梯形、倒三角形。當建筑方案無法避免特別不規則的情況時，可根據實際建筑功能的需要和限制，結合抗震計算指標和經濟造價指標，于適當部位設置防震縫將復雜的不規則結構“切割”成規則的結構單元的組合。廣西雖然處在抗震設防低烈度區域，結構布置較高烈度設防區靈活，但仍應遵循抗震結構布置的基本原則，不應在平面布置上追求凹凸不平的造型，更不應在立面上追求大懸挑大收進的體型。應從建筑方案設計階段介入，盡量避免導致剛度和應力突變的不利布置。

5 結構選型

建筑結構類型，決定房屋抗震性能的先天優劣勢。我國由于歷史和經濟原因，雖然傳統的磚混結構、鋼筋混凝土結構得到了發展和完善，但當代抗震性能優異的結構類型在我國推廣較為落后，如鋼結構及型鋼混凝土結構等先進的結構類型在我國發展也是較發達國家延遲，這種現象在廣西等西部欠發達地區尤為顯著，這與地區的經濟水平、設計水平及施工管理水平較低有關。排除地區條件限制，結構選型應該結合建筑的重要性、高度、抗震設防烈度、地質狀況、基礎類型、當地材料供給、投資經濟性和施工技術水平等綜合優選。我國主要的建筑結構類型按照抗震性能優劣排序：鋼結構、型鋼混凝土結構、現澆鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構、裝配式鋼筋混凝土結構、砌體結構。這只是結構類型的先天性能優劣順序，比對到具體的建筑結構時，其抗震綜合性能優劣并不一定就按照此順序。例如2008年汶川地震，災區部分抗震設計的磚混房屋未嚴重損毀，但是不少的框架結構卻整體倒塌，該現象值得思考。結構選型僅是抗震設計的單個方面，決定建筑綜合抗震能力的是本文所探討的眾方面；協調各方面，提高建筑綜合抗震性能，才是抗震設計的正確方向。抗震結構體系還應具有能科學模擬地震能量輸入的簡化計算模型以及簡單直接的地震作用傳遞途徑，應避免傳力不清的體系，如部分框架承重部分磚混承重的“混合結構”，又如裙樓梁板簡支搭在主樓結構構件上的“似連非連，要脫不脫”的主裙樓關系。應充分考慮結構防連續倒塌設計，避免地震時僅因部分結構或構件破壞而導致連續倒塌，使整個體系喪失抗震能力或對重力的承載能力。另外，結構體系應有合理的強度和剛度分布。

6 多道抗震防線

多道抗震防線，產生于“多重設防，多重保障”這種樸素而科學的理念，確保了建筑結構的抗震可靠度。多道抗震防線是指：多道抗震防線的建筑結構，從體系層面上應由若干個延性較好的分體系組成，從構件層面上應由延性較好的結構構件聯合起來協同工作，并且具備合理的強度和延性。傳統的多道抗震防線體系有框架-抗震墻體系（由延性框架和抗震墻兩個系統組成）、雙肢或多肢抗震墻體系（由若干個單肢墻分系統組成）和框架體系（由框架梁和框架柱）三種。當多道抗震防線設計為由若干個分體系組成時，原則上作為第一道抗震防線的抗側力構件不應是框架柱，而是不負擔或少負擔重力荷載的填充墻或豎向支撐，或是軸壓比較小的剪力墻、筒體等。因條件限制只能采用單一體系時，則應該確保體系內部構件之間的關系能實現“多道防線”，如單一的框架結構體系，應設計成以梁為第一道防線，柱為第二道防線的“強柱弱梁”型延性框架。

7 剛度和強度匹配

建筑結構體系應該有合理的剛度和強度分布。我國抗震設計概念的要求，其實都可以從建筑結構剛度和強度來延伸。剛度和強度，矛盾又統一的兩者，一直都是抗震設計理論的焦點。當前我國抗震設計以“抗”的方法為主，這就要求建筑結構有較大的剛度和強度。剛度和強度存在微妙的關系：有時候為追求較小的側移需要較大的剛度，卻導致地震作用加劇，地震作用加劇又要求建筑結構強度加強，強度加強又會導致剛度增大，形成惡性循環；有時候結構計算要求減小地震力作用，需要減小剛度，而剛度過度減小又往往會使結構過柔而導致非強度層面的破壞。兩者間的矛盾決定了兩者之間需要一個平衡點去統一，即不能片面的追求剛度或片面的追求強度，應通過調整構布置使得剛度和強度匹配，采取措施保證結構體系關鍵部位（如轉換結構、短柱等）的延性性能，從而避免建筑結構因剛度和強度不匹配造成延性差、應力集中的薄弱短板。國家規范就建筑結構的剛度和強度分布的合理性有重要的規定，基本原則的就是確保結構的規則和對稱，體現為幾個可控的、量化的關鍵比值：周期比，位移比，位移角，層剛度比，樓層受剪承載力比，剪重比，剛重比。這些指標的控制應貫穿于結構設計分析的整個過程。協調剛度和強度，其最終目的簡單來說就是使建筑結構“剛柔并濟”，擁有合適的側移剛度和盡可能長的自振周期，及最小的水平地震作用；確保規則均勻，避免有害的扭轉和位移，經濟性好、抗震性能高。

8 結構的延性

延性是衡量結構耗能能力的指標，是結構抗震性能優劣的重要評價標準。結構延性從整體到局部可分為四個層次，即：結構總體延性、結構樓層延性、構件延性、桿件延性[2]。抗震延性設計主要體現在對關鍵部位的設計上，因為保證了關鍵部位及關鍵構件的延性，才可能使得結構不出現薄弱層、薄弱部位，從而保證結構的總體延性和整體性。抗震延性設計的思路，歸結來說是一種針對建筑結構關鍵和薄弱的進行延性設計的方法。如針對豎向薄弱時，應針對性地提高主樓與裙房頂面銜接的樓層構件的延性，體型突變處樓層構件延性的加強，轉換結構體系底部幾層的延性設計等；針對構件及桿件時，可用“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件”等來概括。抗震設計的其他方面如結構布置、剛度和強度的分布等也影響結構的延性，某種意義上來說也是為了保證結構的延性。

9 結語

建筑抗震設計是一項科學嚴謹的工作，結構工程師必須立足于建筑抗震概念設計，落實我國當前房屋抗震設計的各種要求和規定，并積極引進、學習和使用當代世界的先進抗震理論和技術，從而設計出抗震性能優異的房屋建筑結構。

[1]《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]任福民.鋼筋混凝土建筑結構的抗震延性設計[J].遼東學院學報，2006，01：27～30.

TU352.1+1

A

1673-0038（2015）01-0003-02

2014-12-10

葛雄宗（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。