淺談具備抗震功能的民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

喬鳳嬌

（青島市民用建筑設(shè)計(jì)院有限公司 山東青島 266400）

我國幅員遼闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中包含了較大范圍的地震帶區(qū)域，地震烈度在Ⅶ度的國土區(qū)域占全國總面積的41%，這對我國人們的生產(chǎn)生活帶來嚴(yán)重影響，房屋建筑就深受其害，進(jìn)行具有抗震功能的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是建筑行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)話題。受結(jié)構(gòu)形式等諸多方面的影響，我國民用建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是建筑設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，科學(xué)合理的民用建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能給人們提供良好的居住環(huán)境，更能實(shí)現(xiàn)生命安全與財(cái)產(chǎn)的有效保證；因此，進(jìn)行如何通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提高民用建筑的抗震性能，一直都是建筑工程人員不得不思考的重要內(nèi)容，本文由此展開分析。

1 抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容

作為一個(gè)系統(tǒng)性較強(qiáng)的完整概念，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)包含了場址選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震應(yīng)用等多個(gè)方面。建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合國家相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，往往會通過其抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范。實(shí)踐過程中，針對不同地質(zhì)情況的區(qū)域，其抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用也存在差異，只有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)化，才能保證其抗震設(shè)計(jì)的合理。

在設(shè)計(jì)內(nèi)容上，概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算和構(gòu)造保證措施是抗震設(shè)計(jì)的三個(gè)主要層次。概念設(shè)計(jì)將房屋建筑抗震設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行整體化把握，是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)和指導(dǎo)；而抗震設(shè)計(jì)的技術(shù)保證通過計(jì)算過程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的抗震計(jì)算是整個(gè)抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；另外，構(gòu)造保證是實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)改進(jìn)的主要手段，這些構(gòu)造優(yōu)化措施有效的保證了房屋建筑的整體性。從整個(gè)設(shè)計(jì)過程來看，此三個(gè)設(shè)計(jì)層次密切相關(guān)、不可分割。一旦任何設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏，勢必造成整體設(shè)計(jì)的失敗。

需要注意的是，概念設(shè)計(jì)包含了抗震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案、材料選擇、細(xì)部優(yōu)化、和設(shè)計(jì)原則等諸多內(nèi)容；其在注重高深度設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，兼顧了細(xì)節(jié)部位關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了建筑抗震性能的良好發(fā)揮。實(shí)踐過程中，一旦地震災(zāi)害發(fā)生，則地質(zhì)的具體情況、地表的運(yùn)動情況以及地震過程對房屋建筑的影響情況等都難以把控，這就使得單純的建筑結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算具有一定的片面性，需要優(yōu)于實(shí)際的措施予以保證。作為抗震建筑結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，建筑抗震概念的設(shè)計(jì)充分借鑒了地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)的實(shí)踐，對抗震建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出發(fā)展方向。作為整個(gè)民用建筑抗震設(shè)計(jì)過程的前提，概念設(shè)計(jì)直接決定了抗震設(shè)計(jì)及構(gòu)造保證的實(shí)施，是整個(gè)建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程需要把控的核心[1]。

2 民用建筑的結(jié)構(gòu)形式

隨著人們生活水平的不斷提高，建筑設(shè)計(jì)的選擇愈發(fā)多樣化，這也導(dǎo)致了建筑的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生重大變化。就民用建筑而言，磚木結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)是其主要的結(jié)構(gòu)形式類型，并且由于材料、設(shè)計(jì)、施工的指標(biāo)不同，其抗震性能也存在明顯差異。

2.1 砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)是當(dāng)前環(huán)境下，我國建筑工程設(shè)計(jì)建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛地結(jié)構(gòu)形式，其廣泛地應(yīng)用于城市及農(nóng)村的房屋建設(shè)過程中。在其應(yīng)用過程中，小開間是其主要的應(yīng)用形式，較多內(nèi)墻的使用，使得房屋的抗側(cè)力剛度不斷增強(qiáng)，進(jìn)而提高了房屋建筑的抗震性能。需要注意的是，砌體結(jié)構(gòu)的房屋建筑在延性和塑性方面較弱，隨著其跨度的不斷增大，其結(jié)構(gòu)的抗震能力就會逐漸降低，使得地震過程中，交叉開裂和區(qū)域塌落的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2.2 磚木結(jié)構(gòu)

磚木結(jié)構(gòu)是是我國建筑形式中廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)類型，其主要集中在農(nóng)村地區(qū)。通常，以木質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行樓板、門窗、屋頂、屋架等諸多內(nèi)容的應(yīng)用，是木質(zhì)結(jié)構(gòu)農(nóng)用建筑的常見方式。與其他結(jié)構(gòu)類型相比，磚木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)相對簡單，并且建筑材料經(jīng)濟(jì)性較高。然而，在抗震防護(hù)作用中，受砌筑砂漿強(qiáng)度、木質(zhì)結(jié)構(gòu)連接等諸多因素的影響，磚木結(jié)構(gòu)的整體抗震性能較差，容易造成損壞，影響正常使用。

2.3 框架結(jié)構(gòu)

民用建筑承重系統(tǒng)中，由梁柱剛接或鉸接形成的建筑結(jié)構(gòu)形式被稱為框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)建筑的荷載由建筑中梁和縱柱進(jìn)行承擔(dān)。在實(shí)踐過程中，由于建筑的空間分割選擇形式多樣，且在抗震性能和材料應(yīng)用方面具有突出優(yōu)勢，故而較為廣泛地應(yīng)用在民用建筑設(shè)計(jì)過程中。需要注意的是，在框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建筑人員將其與剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合利用，形成了新的框剪結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的民用建筑在提供較大應(yīng)用空間的同時(shí)，保證了房屋建筑的抗震能力，故而在當(dāng)前的建筑環(huán)境下應(yīng)用越來越廣泛。

2.4 鋼材料結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代建筑工程項(xiàng)目中，鋼材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比較普遍，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕是鋼材料結(jié)構(gòu)建筑的最主要特征。在應(yīng)用過程中，良好的延塑性使得其面臨一般地震時(shí)，房屋的結(jié)構(gòu)形式不會發(fā)生較大變化；即使地震災(zāi)害的烈度較高，其也可以有效的避免結(jié)構(gòu)破壞而造成的坍塌現(xiàn)象，因此具有極為優(yōu)越的抗震性能，能夠在提升建筑應(yīng)用安全的同時(shí)，保證人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。然而，與其他結(jié)構(gòu)類型的應(yīng)用相比，鋼材料結(jié)構(gòu)在價(jià)格和耐火性上面存在明顯缺陷，限制比較明顯，這也造成了其在民用結(jié)構(gòu)中的相對其他結(jié)構(gòu)類型較少。

3 具備抗震功能的民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

對民用建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先就應(yīng)充分考慮其抗震性能的影響因素，然后針對性的進(jìn)行民用建筑抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，建筑場地、地基基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)體系、建筑平面、材料施工、非承重結(jié)構(gòu)等都是影響民用建筑抗震功能發(fā)揮的重要原因，只有系統(tǒng)進(jìn)行這些作用點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保證建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的良好。

3.1 進(jìn)行建筑場地、地基基礎(chǔ)的選擇

抗震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，實(shí)際的工程需要是進(jìn)行建筑場地和地基基礎(chǔ)選擇的重要前提[2]。作為整個(gè)民用建筑設(shè)計(jì)的第一步，場地的選擇應(yīng)在工程需要的基礎(chǔ)上，充份分析地震活動及工程地質(zhì)的相關(guān)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建設(shè)地段安全性能的合理評估。在應(yīng)用過程中，盡量選擇地質(zhì)結(jié)構(gòu)單一穩(wěn)定的地方進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，一旦無法避開不利地帶，則應(yīng)采取必要的抗震防護(hù)措施。同時(shí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是民用建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。再設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量避免在性質(zhì)不同地基上建立統(tǒng)一單元結(jié)構(gòu)，并且，應(yīng)采用現(xiàn)代施工技術(shù)進(jìn)行樁基礎(chǔ)的設(shè)置，減少天然樁基使用。需要注意的是，我國的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分區(qū)域存在液化土、軟性粘質(zhì)土，在這些土層進(jìn)行房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容易因地震而形成沉降或傾塌等，故對其應(yīng)進(jìn)行地基基礎(chǔ)的加強(qiáng)，確保其剛度和整體性滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

3.2 保證構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)體系

民用建筑結(jié)構(gòu)的抗震體系應(yīng)在建筑功能用途、建筑高差、場地地基基礎(chǔ)、材料施工、設(shè)防烈度等因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)合理的手段進(jìn)行選擇。抗震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下內(nèi)容：①對計(jì)算簡圖和地震傳遞途徑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保建筑計(jì)算簡圖的明確和荷載傳遞的有效。②通過多道抗震防線的設(shè)置，避免因民用建筑部分損壞而造成的整體抗震性能下降，保證房屋的承載能力良好。③對結(jié)構(gòu)提攜的剛度、強(qiáng)度、變形能力、耗能能力進(jìn)行計(jì)算，確保其滿足應(yīng)用需求。④進(jìn)行民用建筑薄弱部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免荷載作用下的應(yīng)力集中。⑤對結(jié)構(gòu)體系中主軸方向的動力特點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范，確保其屬性相近。

結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件設(shè)計(jì)是民用建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其也是抗震體系良好性能發(fā)揮的重要保證。設(shè)計(jì)過程中，抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)當(dāng)選擇以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)保證：①對鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱、芯柱、組合砌體等進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證抗震能力的有效提升；②對混凝土構(gòu)建的尺寸、鋼筋、箍筋等進(jìn)行計(jì)算、配置，在其中，剪切、混凝土壓潰、鋼筋錨固等都是重要的考慮內(nèi)容；③為避免民用建筑局部構(gòu)件或整體失穩(wěn)，應(yīng)對其尺寸、連接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)保證，即在構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于連接構(gòu)件強(qiáng)度的同時(shí)，預(yù)埋件錨固強(qiáng)度要高于連接件強(qiáng)度，并在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固；④對民用房的連接方式進(jìn)行優(yōu)化，目前裝配式連接方式能有效的保證民用建筑結(jié)構(gòu)的整體性。

3.3 合理進(jìn)行民用建筑平面和立面的選擇

民用建筑的抗震性能明顯較弱，一旦受到地震災(zāi)害影響，容易因外力的影響發(fā)生扭轉(zhuǎn)、應(yīng)力集中和塑性變形；而規(guī)則化、對稱化、均勻化的建筑平立面布置是改善這一缺陷的有效方式。因此，在案進(jìn)行平、立面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免錯(cuò)層設(shè)計(jì)的發(fā)生，同時(shí)，若條件合理，應(yīng)采用防震縫進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化。需要注意的是，若是民用建筑的結(jié)構(gòu)相對比較負(fù)責(zé)，則應(yīng)避免防震縫的設(shè)計(jì)，并且，一旦采用了防震縫應(yīng)用，則應(yīng)根據(jù)抗震烈度需求、材料種類、結(jié)構(gòu)類型、等情況，將建筑分為規(guī)格合理的結(jié)構(gòu)單元，保證伸縮縫、沉降縫能達(dá)到防震縫的應(yīng)用要求。

3.4 進(jìn)行稱重結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃

要防止地震的附加災(zāi)害，減傷災(zāi)害損失，進(jìn)行稱重結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。具體而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的有效連接和錨固，避免地震災(zāi)害過程中對人、設(shè)備、財(cái)產(chǎn)的損壞；而圍護(hù)墻與隔離墻的設(shè)置關(guān)系到整體抗震性能，因此，應(yīng)保證其連接的緊密性和嚴(yán)實(shí)性。譬如，設(shè)計(jì)中應(yīng)確保框架內(nèi)的填充墻與房頂保持統(tǒng)一水平高度防止因短柱而造成的結(jié)構(gòu)孤立等。

3.5 進(jìn)行施工材料和質(zhì)量的抗震設(shè)計(jì)

抗震材料的應(yīng)用是確保民用建筑抗震性能良好的基礎(chǔ)保證。在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵照相關(guān)抗震要求，進(jìn)行抗震材料的選擇與應(yīng)用，并保證這些材料符合最低的抗震要求。譬如：泥土磚的強(qiáng)度要高于MUIO，而砌筑砂漿的強(qiáng)度要高于M5，混凝土小型切塊強(qiáng)度等級高于MU7.5等。只有充分保證這些材料的應(yīng)用滿足抗震需求，才能確保其設(shè)計(jì)的合理化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑抗震性能的良好發(fā)揮。

4 結(jié)論

民用建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)專業(yè)化程度較高，技術(shù)較強(qiáng)的系統(tǒng)過程。隨著人們對于防震要求的不斷增高，工程建設(shè)人員只有在保證明確抗震具體要求的基礎(chǔ)上，充分考慮民用建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并針對性的做好場地選擇、地基保證、抗震結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化、平立面處理及材料等方面的規(guī)劃設(shè)計(jì)，才能保證民用建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化，保證人們生活居住的安全穩(wěn)定。