建筑結構抗震設計的要點分析

林堅洪

提 要：本文主要針對建筑結構抗震設計的要點展開了分析，對建筑混凝土框架結構抗震薄弱的部位作了詳細的概述，并給出了一系列提高混凝土框架結構抗震性能的措施，以期能為有關方面的需要提供有益的參考借鑒。

關鍵詞：建筑框架；抗震設計；分析

近年來，隨著我國地震災害的頻繁發(fā)生，建筑抗震設計成為了我國建筑結構設計一個新的重要發(fā)展方向。但是由于實際操作經驗缺乏經驗，建筑抗震設計存在著一定的薄弱環(huán)節(jié)，是需要相關的工作人員給予足夠的重視，并采取有效措施提高建筑抗震的性能，以減輕地震災害對建筑的破壞。

1 混凝土框架結構抗震薄弱部位

1.1 從震害中找出結構薄弱部位

某次地震中，多層混凝土框架教學樓的倒塌，使我們對混凝土框架結構的抗震性能有了進一步的認識。根據地震現場的調查，混凝土框架結構的震害大致如下：6、7度區(qū)，底層柱上下端出現斜裂縫，并且柱頭比柱腳更厲害。8、9度區(qū)，底層柱上下端保護層混凝土脫落，箍筋拉脫，柱心混凝土被壓碎，縱筋壓成燈籠狀。二層柱端及底層梁端也出現不同程度的開裂。在地震中倒塌的框架結構，估計也是底層柱上下端先出現斜裂縫，最后被折斷的，只不過整個過程時間很短。不難判斷：框架結構薄弱層在底層，底層柱是薄弱構件，底層柱的上下端是最薄弱的部位。震害同時表明：在底層柱中存在某些比較薄弱的柱，地震作用下，這些柱的柱端首先出現斜裂縫，最先形成塑性鉸，使整個結構內力重新分布，導致底層柱逐根被擊破，引起連續(xù)倒塌。

1.2 從結構分析中確定結構薄弱部位

混凝土框架結構抗震有其特性，與帶有剪力墻的其他混凝土結構相比，框架結構側向剛度小，變形能力強。對抗震有利的是吸收地震總能量少，不利的是抗側力能力差。框架唯一的豎向構件——柱的側向剛度比剪力墻的墻肢小得多，比梁板組成的樓層平面剛度也小很多。地震通過地層土晃動框架樓房，剛度大而且質量集中的各樓層就會前后左右來回移動，產生樓層水平地震剪力，這些力由梁傳給柱。結構的整體變形主要是各樓層按一定的振型和周期往復側移。柱本身剛度較小，其豎向變形被動地隨各樓層。梁屬于樓層的一部分，變形較小。框架的水平地震力和側移變形主要來自梁板，而抗側力和側移主要靠柱。在結構分析中，若忽視板對梁剛度的影響是不現實的，尤其是一起現澆的梁板。相對于梁來說，柱是薄弱構件。因此，“強柱弱梁”便成為框架結構抗震設計的基本原則之一。

框架結構底層柱托起整棟樓房，除了承受整棟樓全部垂直力外，還要承受地震產生的水平力。結構分析顯示：底層任何一根柱的軸力、剪力及彎矩都比上層柱大，底層柱比上層柱更容易被破壞。底層柱上下端彎矩最大，成為整個框架結構內力最大的部位，也就是最薄弱的部位。不難理解：為什么地震時，首先出現裂縫的總是底層柱上下端。各樓層抗剪承載力分析結果表明，底層抗剪承載力最小，驗證了底層是抗震薄弱層。底層柱既是框架結構抗震的“中流砥柱”，又是薄弱構件，“強柱”的重點應該是加強底層柱的抗震承載能力。

2 提高混凝土框架結構抗震性能的措施

加強結構薄弱部位的抗震能力，是提高結構整體抗震性能的有效手段。針對上述薄弱部位，建議混凝土框架結構設計采取如下加強措施。

2.1 底層設計為加強層

地震中整體倒塌的房屋，大都是由于底層支承結構破壞造成的。如何提高底層支承結構的抗震能力，是房屋結構抗震設計共同的問題。砌體結構加厚底層墻厚，提高砂漿及砌塊的強度等級。混凝土剪力墻結構底層設計為加強層，對墻厚及配筋都有特殊要求。混凝土框架結構的底層是薄弱層，也應該設計為加強層，采取有效的加強措施。當框架結構超過十層，加強層可擴展到第二層。

2.2 加大底層柱截面及提高混凝土強度等級

混凝土構件的承載能力主要取決于構件的截面、混凝土強度等級及配筋。加大框架底層柱截面及提高混凝土強度等級，不僅能提高其承載能力，也是控制柱軸壓比最直接最有效的措施，對提高柱的塑性變形能力和框架抗倒能力都十分有利。

加大底層柱截面不僅增加柱本身的側向剛度，也增加了整體結構的側向剛度，有效地控制結構的側移變形。底層柱截面大于上層柱，整體結構側向剛度下大上小對結構抗震有利。但不宜太懸殊，而應平穩(wěn)過渡，防止剛度突變或薄弱層轉移。上下柱軸心宜對齊，減小偏心。底層各柱受力不一樣，截面大小也不一樣。一般按軸力大小先設定截面，經計算后再作調整，若發(fā)現薄弱柱，則加大其截面。框架結構縱橫抗傾覆比值，一般與房屋縱橫平面尺寸成正比。控制房屋高寬比及限用單跨框架，都是對橫向而言。因此，柱截面尺寸橫向大于縱向對結構抗倒塌是有利的。

2.3 底層室內地面處雙向設基礎系梁

有地下室的框架結構，其上部結構嵌固在地下室頂板頂面。無地下室的框架結構，無論單獨柱基礎深淺，都在室內地面附近處雙向設基礎系梁，系梁頂面就是上部結構的嵌固部位。

2.3.1 鎖定框架上部結構嵌固在基礎系梁頂

柱下單獨基礎側面和上面的回填土，經過夯實后成為地層土的一部分。地震時這部分土對基礎的土壓力和基底摩擦阻力共同作用下，使基礎與地震波動的地層土一起移動，相當于地震通過土層緊緊“握住”柱基礎來晃動整個框架上部結構。地下柱在四周土壓力作用下，地震時也隨地層土一起移動。地震破壞的底層柱腳，都在地面以上看得見的部位，而基礎頂面柱最下端是否破壞，尚無調查報告。這表明土體對柱不僅約束其變形，還能起到嵌固作用。

2.3.2 控制底層柱的高度

框架樓房一般底層都需要較大的使用空間，底層的層高及柱高比其它層高。若底層柱嵌固在基礎頂面，則柱高還要加上室內外高差及基礎埋置深度。基礎系梁設在室內地面處，可以雙向卡住底層柱，使其高度減少到最小，這是加強框架薄弱層和薄弱構件抗震能力的有效措施。減小底層柱高，可以增加底層的側向剛度，提高底層的抗剪承載力。底層側向剛度的增加，還可以減少整體結構的側移變形，對結構抗倒塌十分有利。

3 工程設計實例

某工程為五層混凝土框架結構辦公樓，平面尺寸54.6m×18.3m。抗震設防烈度7度（0.10g），框架抗震等級為三級。本工程在室內地面處設置了基礎系梁，加大了底層柱截面并提高了混凝土強度等級，但尚未在底層柱端增加抗剪斜筋，底層依然按抗震等級三級設計。為了對比有無基礎系梁對整體結構的抗震作用，建立兩種框架結構計算模型：（1）室內地面處設基礎系梁，（2）無基礎系梁。結構計算采用SATWE計算程序，計算結果見表1。

4 結語

隨著我國地震災害頻繁的發(fā)生，抗震性能的提高對建筑結構的安全有著極大的幫助。綜上所述，本文就建筑結構抗震設計的要點進行了分析，在闡述了建筑結構抗震薄弱部位的基礎上，給出了一系列的提高措施，相信對有關方面的需要能有一定幫助。

參考文獻

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