建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震策略分析

陳慶波

（廣東省　佛山市　528200）

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震策略分析

陳慶波

（廣東省佛山市528200）

我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了城市化進(jìn)程，建筑行業(yè)得到了迅速發(fā)展。隨著人們對建筑質(zhì)量的要求，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為建筑工程項(xiàng)目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文首先從基礎(chǔ)抗震、計(jì)算模型、單元模擬、支座選取四個角度來詳細(xì)論述建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，然后探討了一些建筑結(jié)構(gòu)的抗震策略，希望能為建筑設(shè)計(jì)人員提供有價值參考意見。

建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震策略

1　引言

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑行業(yè)的作用越來越重要，其中建筑結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、安全，一方面取決于建筑材料的穩(wěn)定性，另一方面取決于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否應(yīng)用抗震技術(shù)。從20世紀(jì)80年代開始，基礎(chǔ)抗震研究已在我國逐漸開展起來，并且國外也有很多研究者對抗震控制展開了大量的研究，而且抗震技術(shù)已在世界各地廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段，減輕地震對建筑結(jié)構(gòu)損害的有效方法就是抗震和消能減震，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)采用抗震減震技術(shù)后，地震對其損害明顯減輕，雖然此種技術(shù)會使工程造價有一定程度的提高，但隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，抗震減震技術(shù)的必要性和應(yīng)用性日益突出。國外歷次強(qiáng)震經(jīng)驗(yàn)表明，延長結(jié)構(gòu)的自振周期的抗震方法能夠有效減小結(jié)構(gòu)的水平地震作用。另外，以往建筑工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，消能器能夠增加建筑結(jié)構(gòu)的阻尼，通過消能器使風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移等地震反應(yīng)得到減輕，能夠達(dá)到建筑消能減震的目的。抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安排，使建筑物能夠預(yù)防一般地震的摧殘。

2　建筑結(jié)構(gòu)抗震措施

建筑物場地種類往往會對抗震技術(shù)的使用產(chǎn)生較大影響，已存在的大量工程實(shí)踐顯示，硬土場地更適合建抗震房屋。弱土場地所建設(shè)的抗震房屋地震損害反而會被擴(kuò)大，這是因?yàn)槿跬翀龅貢^濾地震波的中高頻分量，從而使得結(jié)構(gòu)的周期增加，進(jìn)而延長了地震效應(yīng)使得地震效應(yīng)不減反增。可見，應(yīng)用消能抗震技術(shù)前，應(yīng)對建筑場地進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)查和分析。

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)，保質(zhì)量

在開展建筑工程方案設(shè)計(jì)的過程中，必須要將建筑物的抗震倒塌能力作為一個核心因素去斟酌設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員要對提高建筑物抗震倒塌能力的重要性具有充分的認(rèn)識。首先，建筑設(shè)計(jì)方案中建筑結(jié)構(gòu)不僅要滿足客戶的要求，還要盡量做到形狀規(guī)則、對稱，施工中用的建筑型鋼材一定要達(dá)到符合的強(qiáng)度要求，局部連接要使承載力連續(xù)。此外，必須嚴(yán)把建筑工程施工中的質(zhì)量關(guān)。①建筑結(jié)構(gòu)的抗震倒塌能力在很大程度上取決于施工人員的施工質(zhì)量，因此。在建筑工程施工過程中，施工人員要不斷提高自己的施工技能，并且嚴(yán)格遵守施工方案進(jìn)行施工。②建筑施工單位要從整體把握施工質(zhì)量，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行施工，從而提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。設(shè)計(jì)是一個建筑物的成長藍(lán)圖，它關(guān)系著建筑物的使用壽命、抗震防災(zāi)能力等多方面。所以，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是提高建筑物質(zhì)量的基礎(chǔ)和保障。

2.2合理的結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)

所謂結(jié)構(gòu)延性，就是建筑結(jié)構(gòu)在受到地震屈服后的塑性變性能力。建筑物受到地震作用時會利用塑性變形削弱地震釋放的能量。因此，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)延性能有效提高建筑結(jié)構(gòu)的承載能力，從而提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。此外，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要盡可能的使所有的建筑結(jié)構(gòu)對稱，以防在地震影響下出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，降低地震的破壞力度。

2.3建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)抗震結(jié)構(gòu)一般安裝在樓層上部結(jié)構(gòu)水平面寬度較小而樓層之間剛度較大、樓層高度在三十層以下的樓房建筑中。假如該樓房上部結(jié)構(gòu)水平面寬度較大而不同樓層之間剛度又很小、樓層數(shù)量又較大，這時候的樓房上部結(jié)構(gòu)就是多質(zhì)點(diǎn)的抗震結(jié)構(gòu)體系，需要采取相應(yīng)的多質(zhì)點(diǎn)抗震模型，而且另外還要想辦法防止抗震結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和發(fā)生傾覆等意外情況。

對于位于強(qiáng)地震帶和高烈度地區(qū)的建筑要采用橡膠材料的抗震結(jié)構(gòu)，因?yàn)橄鹉z抗震結(jié)構(gòu)中的抗震支座在沖擊波作用下會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力或者發(fā)生輕微的非線性變形，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的整體安全和穩(wěn)定。對于建筑結(jié)構(gòu)的組合抗震體系而言，如果抗震層上部結(jié)構(gòu)傾覆彎矩太大的話，發(fā)生的水平地震作用力就會使得抗震層轉(zhuǎn)動起來，加大抗震結(jié)構(gòu)在垂直方向的負(fù)載，那么該建筑抗震層就會發(fā)生較為突出的縱向變形。所以，在考慮建筑基礎(chǔ)抗震結(jié)構(gòu)的動力體系時，一方面要考慮到抗震結(jié)構(gòu)的多質(zhì)點(diǎn)平動受力，最好是采用多質(zhì)點(diǎn)擺動加平動抗震計(jì)算模型，另一方面還要考慮到抗震結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動。

圖1　底層和標(biāo)準(zhǔn)層的平面布置圖

圖2　結(jié)構(gòu)有限元模型圖

2.4抗震地基材料

對于不同的建筑物所采用的地基材料不同，這也是地震波的反應(yīng)區(qū)別的原因之一。可以采用特殊材料對建筑物地基進(jìn)行處理的方法，以此來削弱地震波，從而使建筑物在地震中的震感有弱化效果。在傳統(tǒng)的建筑物中，通常采用粘土和砂子進(jìn)行基礎(chǔ)部分墊層，然后也有人使用糯米墊層研究抗震，長期的發(fā)明研究與試驗(yàn)表明采用以瀝青為原料的新型材料進(jìn)行抗震層設(shè)置具有優(yōu)良的抗震效果。

2.5隔震加固

構(gòu)剛度和地震作用成反比，結(jié)構(gòu)周期變大時，剛度減小從而降低了地震作用。目前實(shí)踐中，以增大周期隔震加固技術(shù)最為普遍，最有代表性的就是鉛芯橡膠隔震。主要利用橡膠鉛芯阻尼值高、水平變形力大且能能夠吸收地震爆發(fā)能量的特點(diǎn)，將鉛芯和橡膠隔震墊安放在地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間，再使二者分開。地震過程中，隔震墊會產(chǎn)生較大的水平變形并吸收熱量，使上部結(jié)構(gòu)水平速度降低，達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)地震作用的目的。

2.6優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)

建筑的地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最重要的是對地基的選擇與設(shè)計(jì)，地基是建筑的根本，一旦發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)將無所依靠。建筑本身的高度，使得其建筑要求較高，要優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置，使得結(jié)構(gòu)壓力均勻分給每個構(gòu)件，不會出現(xiàn)承壓不均而導(dǎo)致地震時的嚴(yán)重破壞。對于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也要考慮其材料的安全性能。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須優(yōu)化其抗震能力，重視地基的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出既節(jié)省材料又安全可靠的地基，以確保建筑物有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗地震的危害。在確保地基的強(qiáng)度后，還要考慮剪應(yīng)力的問題，采取強(qiáng)柱弱梁、加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震、設(shè)置抗震墻等措施來抵抗水平剪力。

2.7消能減震加固

在工程抗震過程原理分析中，結(jié)構(gòu)阻尼和地震之間呈反比例關(guān)系。增加結(jié)構(gòu)阻尼主要通過結(jié)構(gòu)變形較大的部位設(shè)置阻尼器的消能減震方法來實(shí)現(xiàn)。利用阻尼器控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，降低建筑結(jié)構(gòu)在水平和豎直方向的地震作用，確保建筑物在較大震動作用下不會出現(xiàn)大的破壞。

2.8基礎(chǔ)抗震結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)抗震是指在建筑基礎(chǔ)部分消耗地震波，使之難以傳遞至建筑上部結(jié)構(gòu)，在一定程度減少或消除地震對于建筑上部結(jié)構(gòu)的損壞。常在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)間設(shè)置抗震裝置，相較于建筑，外形規(guī)則的底層建筑使用抗震裝置的效果更好，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置抗震裝置過程會延長建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，從而出現(xiàn)抗震效果弱化的現(xiàn)象。現(xiàn)階段關(guān)于基礎(chǔ)抗震的進(jìn)步與發(fā)展日益趨于多樣化與完善。

3　結(jié)語

在國內(nèi)和國際不斷出現(xiàn)大的地震災(zāi)害情況的影響下，國內(nèi)設(shè)計(jì)人員也開始不斷提高建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量，以求做到最大的保護(hù)。大量事實(shí)證明，一個優(yōu)良的建筑抗震設(shè)計(jì)，必須建立在優(yōu)良的建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相互配合的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上。所以，在進(jìn)行建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要充分的考慮和重視建筑的方案設(shè)計(jì)，只有有效的做好建筑抗震設(shè)計(jì)中的方案設(shè)計(jì)，才能更好的發(fā)揮建筑的使用功能和抗震功能，進(jìn)而有效保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

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[2]高俊江，熊仲明.抗震結(jié)構(gòu)現(xiàn)存問題及改進(jìn)策略[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010（S2）.

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