有關建筑抗震性的結構設計淺議

任慧志

【摘要】隨著經濟的不斷發展，公共建筑的安全越來越受人關注，文章建筑結構形式出發，闡述建筑抗震性的結構設計。

【關鍵詞】建筑抗震性；結構設計

1.引言

造成建筑物震害的原因是多方面的，結構工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決，應立足于工程抗震基本理論，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計中的基本問題。丈章論述了結構抗震結構形式、建筑的震害特征和建筑優化設計三個方面對整個結構抗震性能的影響及相關措施。

2.建筑結構形式

2.1磚木結構

由于經濟條件的限制和材料供應等方面的限制，磚木結構形式的學校建筑主要集中于我國偏遠地區。這種形式的建筑是以砌體和木材為主要材料，縱、橫墻為主要的承重構件，均由砌體砌筑而成，屋蓋為析架形式的三角形木屋架與承重墻體相連，并且能夠傳遞水平地震作用，凜條一端放置于山墻上，另一端與木屋架相連，如圖2.1所示。這種結構形式的建筑建造時間比較久遠，多集中于上世紀六十年代以前，特點是建造簡單，取材容易，費用較低，但其防潮、防火及抗震性能比較差。

2.2砌體結構

砌體結構主要是以磚、石等材料通過砂漿的粘結作用砌筑而成的結構，由于其組成的基本材料和連接方式，決定了它的脆性性質（抗剪強度低，延性較差），加之砌體結構以墻體為承重構件，其側向剛度往往較大，結構自振周期小，故產生的地震作用也較大，從而使其遭受地震時破壞較重，抗震性能很差。在國內外歷次強震作用下，砌體結構的建筑破壞率非常高：1923年日本關東大地震中，砌體房屋破壞率為80%一90%；1948年蘇聯阿什巴哈地震中，砌體房屋破壞率為70%一80%；1976年唐山大地震中，砌體房屋破壞率為70%一90%；2008年漢川大地震砌體房屋的破壞率也高達70%。因此在對多層砌體結構進行抗震設計時，需要采用構造柱、圈梁及其它拉結等構造措施以提高其延性和抗倒塌能力。砌體建筑一般采用單跨外帶懸挑走廊的結構形式。由于采光、通風及空間等方面的要求，這類建筑在設計過程中過度追求大開間、大門洞、甚至通窗等效果，導致結構橫墻間距大，縱墻上窗戶開洞面積較大，對墻體剛度削弱較多，則抗震性能也就越差。

2.3框架結構

框架結構也是建筑普遍采用的一種結構形式，與砌體結構類似一般采用單跨外帶懸挑走廊的結構形式，也有些框架結構為了增加結構的冗余度而在走廊一側增加一排框架柱使其成為兩跨框架結構，或者在結構兩側走廊各增加一排框架柱使其成為三跨框架結構?？蚣芙Y構屬于柔性結構，單跨框架的側向剛度就更加的小，在強烈地震作用下，結構所產生的水平位移較大，容易造成非結構構件的破壞，在框架節點處應力集中現象顯著，容易造成節點區域的破壞。

3. 建筑的震害特征

3.1磚木結構震害特征

由于木屋架支撐處沒有均勻傳力的墊塊和緊固措施，地震作用下木屋架上的慣性力不能有效地傳遞至磚墻上，木屋架缺乏有效約束，構件體系的整體性差，導致木屋架整體坍塌。屋面瓦在屋架上的固定不足，導致地震作用下瓦片紛紛散落。

墻體開裂有：門窗洞口處、窗間墻處、縱橫墻交叉處的裂縫。門窗洞口處及窗墻處的墻體裂縫主要由于整個結構剛度分布不均勻，加之這些部位墻體的剛度較大，所以地震作用也相對較大，導致出現X形裂縫。縱、橫墻交叉處的裂縫是由于外墻轉角處和內外墻結合部位咬合不牢，更沒有拉結鋼筋，加之砌體的延性、抗剪、抗拉強度均較低，所以這些部位兩側墻體接搓處容易形成上下貫通的裂縫。

3.2墻體出現x形裂縫

墻體出現貫穿的斜裂縫，在地震作用下，由于墻體上的主拉應力超過砌體強度引起剪切破壞，從而出現貫穿墻體的斜裂縫，這種震害現象比較常見。

墻體出現x形裂縫，由于靠近走廊一側的的縱墻上即開門又開窗，該側墻體的剛度及承載力小于另外一側，所以X形裂縫主要出現在該側的縱墻上，多集中于門洞之間，窗間墻和窗下縱墻，X裂縫產生的原因和斜裂縫相同，出現X形裂縫的墻體往往是砂漿被震松，墻體被壓酥，并且喪失承載力。

墻體出現水平裂縫，水平裂縫產生的原因是：豎向地震作用導致砂漿受拉，并且超過其抗拉強度，或者水平地震作用下砂漿受剪，最終超過其抗剪強度而破壞。這種震害現象一般出現在樓蓋、屋蓋梁板附近的墻體上下，墻體沿灰縫出現貫通的水平裂縫后引起樓蓋、屋蓋的滑移和錯位，嚴重時會導致預制板脫落。

縱橫墻體平面外失穩倒塌，外縱墻與橫墻之間接搓處沒有設置構造柱或拉結鋼筋，導致墻體失穩倒塌。

4. 基于功能的含屈曲約束支撐的建筑框架結構一體化優化設計

4.1結構優化設計概述

優化方法的出現，可以追溯到牛頓、拉格朗日和柯西時代。到了20世紀60年代，優化問題發展并形成為一門新興的基礎學科。而結構優化設計是計算力學的一個分支，它致力于研究改進結構設計的方法，來幫助工程結構設計人員設計出既經濟又可靠的工程結構。

結構優化設計有三個要素：設計變量、目標函數和約束條件。設計變量：設計變量是設計中可以獨立改變的參數，不同的設計變量取值對應不同的設計方案。對應于最優設計方案的設計變量取值稱之為最優點或最優解。與最優點相對應的目標函數值稱為最優值。約束條件：又稱為狀態變量，是求目標函數極值時的某些限制條件，簡稱約束。約束條件越接近實際系統，所求得最優化問題的解越接近于實際情況的最優解。目標函數：目標函數是評價設計方案優劣的數學表達式，它的建立對能否得到理想的方案非常關鍵。使目標函數極大或者極小，就是使問題的性能指標為最優。

4.2強震作用下結構的響應分析

為了準確地模擬結構在強烈地震動作用下的響應過程，本文采用空間有限元動力計算模型，用SAP20OO軟件的線單元中的框架單元將整個框架結構離散。該框架單元使用一般的三維梁一柱公式，包括雙軸彎曲、扭轉、軸向變形、雙軸剪切變形等效應，能準確地模擬實際的工程結構。框架截面在SAPZO00中可以很方便的定義，如參數形式的直接定義，型鋼庫的調用或者直接指定常數。每個框架單元由兩個節點控制其幾何位置，每個節點具有六個自由度（3個平動自由度和3個轉動自由度）。動力分析中，結構的質量用來計算慣性力，框架單元所貢獻的質量集中在兩個節點上。屈曲約束支撐采用SAPZ000有限元軟件中的Wen塑形單元來模擬。

4.3一體化動力優化設計的計算模型與優化方法

在大震作用下，對于含屈曲約束支撐的單跨框架結構，在不超過規范的前提下，希望其層間位移角盡量小，同時希望結構和屈曲耗能支撐的造價盡量低。也就是說，要使兩個相互矛盾的要求同時滿足，一般的設計方法很難辦到。屈曲耗能支撐的體積和框架結構梁柱尺寸一體化動力優化設計可以同時滿足上述兩個設計要求。

優化選用的是序列二次規劃算法。該種算法比較適用于優化問題不是很大、函數和梯度能夠用較高的精讀來評估的優化問題，其特點是用來解決帶有約束的非線性數學規劃問題，并假設目標函數和約束條件是連續可微的。基本思想是將目標函數以二階拉氏方程展開，并把約束條件線性化，使得轉化為一個二次規劃問題。二階方程通過quasi-Newton公式得到了改進，而且加入了直線搜索提高算法的穩定性。

結 論

本文主要研究了中小學建筑結構的抗震性能，內容主要分為三部分：一是典型的單跨建筑結構的抗震性能的研究；二是幾種不同的建筑結構體系的抗震性能的研究對比；三是對含有屈曲約束支撐的中小學框架結構進行了一體化動力優化設計。

參考文獻

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[2]湯朝暉.日本中小學校防災抗震設計啟示[J].防災減災，2009，（l）：86-89.