建筑結構抗震設計探討

王超然

（濟源職業技術學院，河南 濟源 459000）

一、引言

整個地球每年都會發生很多次地震，人們能感覺到的地震大約有5萬余次，會使建筑物發生破壞的地震大約有20余次，給人類帶來毀滅性的地震大約有2次。近年來，我國發生過不少讓人刻骨銘心的地震，例如：河北唐山大地震、云南省瀾滄、耿馬地震、昆侖山大地震、四川汶川地震、青海玉樹地震等，地震帶來的慘痛經歷都歷歷在目。當地震來臨時，地球內部不斷運動，慢慢地集聚了大量的能量，這種能量會造成建筑物的破壞甚至是倒塌，還會引發各類次生災害，比如泥石流、滑坡、水災、火災、疫情等，在地震及其地震引發的次生災害下，會給國家帶來巨大的人員傷亡和經濟財產損失，因此，必須注重建筑物的抗震設計。

二、建筑結構震害分析

（一）多層及高層鋼筋混凝土房屋震害分析

鋼筋混凝土結構在遭受到高于本地區抗震烈度的地震時會發生破壞，其破壞的形式主要體現在兩個層次，第一個層次是結構破壞，第二個層次是構件破壞。

引起結構層次破壞的原因主要有兩個：第一，設計單位在設計的時侯，沒有注意平面的規則性。如果在對建筑物的構件進行布置時，平面布置不對稱，容易造成結構的質量中心和剛度中心不重合，當地震來臨時，在水平地震力的作用下，會分別以質量中心和剛度中心為矩心產生扭轉效應，質量中心和剛度中心之間的距離增大，會增加這種扭轉效應，從而使結構更容易發生扭轉破壞。若結構平面布置時，存在較大的凸出、凹進，或者平面布置可能明顯導致強烈局部震動時，在平面上的薄弱部位會存在應力集中現象，相應部位的結構會出現不同程度的破壞。第二，建筑結構在豎向上剛度分布不均勻，存在突變的情況，當發生地震，受地震力的影響，剛度小的樓層變形增大，嚴重時會導致整個樓層垮塌。

構件層次的破壞主要表現在以下幾個方面：第一，梁端破壞。當地震來臨時，梁與柱子相交的地方是最容易發生破壞的，屬于局部的破壞，梁屬于水平方向的構件，若發生破壞不會導致整個樓層直接倒塌。梁的破壞形式有斜截面的破壞和正截面的破壞，若發生斜截面的破壞，破壞的特征是，梁端附近有很多細小且密集的斜裂縫，混凝土會發生剪壓破壞最后被壓碎，這種脆性的破壞比較危險。正截面破壞主要是在水平地震力的作用下，梁的跨中產生較大的正彎矩，支座處產生較大的負彎矩，從而產生貫通的豎向裂縫，嚴重的話，會產生塑性鉸，造成內力重分布。第二，柱端破壞。柱子屬于豎向承重構件，一旦發生破壞，整棟樓就會倒塌。柱子本身要承受梁和板傳來的豎向荷載，當遭遇到地震時，又要同時承受水平的地震力，如果不注重柱子的抗震設計，建筑物將會遭受非常嚴重的破壞。柱子常見的震害主要表現在以下幾個方面：在水平地震力作用下，柱子會發生剪切破壞；在軸力和正負彎矩的作用下，柱子會發生壓彎破壞；當柱子的縱向配筋較少且承受正負彎矩時，容易發生彎曲破壞；角柱處于雙向偏壓的狀態，受力狀態很復雜；若框架中存在錯層，柱子的變形會受到填充墻的約束，使得柱子的計算長度減小，剪跨比也會相應地減小，此時，柱子容易發生剪切破壞。因此“強柱弱梁”在抗震設計中非常重要。第三，節點破壞。梁柱的節點在地震力的反復作用下因抗剪強度不足容易發生破壞，充分體現了抗震設計中“強節點、強錨固”設計理念的重要性。第四，抗震墻破壞。抗震墻又稱之為剪力墻，地震發生時，剪力墻中的連梁先發生剪切破壞，連梁之所以發生破壞，主要是由其自身的特點決定的，一般情況下，連梁容易形成深梁，深梁的特點是跨度小，高度大，在反復地震力的作用下，容易發生剪切破壞，其破壞屬于脆性的。第五，填充墻的破壞。填充墻在地震中通常表現為整體倒塌或者是沿著墻體的對角線產生斜裂縫，主要原因是墻體的受剪承載力太低，變形能力較小且墻體和框架結構之間沒有強有力的拉結。

另外，除了結構破壞和構件破壞，還有其他破壞也會導致結構出現嚴重的震害。第一，毗鄰建筑及防震縫的問題。在之前發生的地震中，一再發生相鄰建筑物碰撞的事件，主要原因就是兩座建筑物之間的縫隙，不滿足防震縫的要求，防震縫的寬度太小，導致地震時，實際位移過大。第二，樓梯和樓梯間。樓梯是主要的逃生通道，如果樓梯發生破壞，將會阻斷人們的逃生通道。多數地震表明，樓梯間的破壞比較嚴重，究其原因，主要是因為地震來臨時，樓梯段處于交替的拉彎和壓彎這樣的一個受力狀態，受力情況較為復雜，至今為止，沒有研究出一個針對樓梯整體的計算公式。

（二）多層砌體結構房屋震害分析

砌體結構的主要承重構件是墻體，墻體要承受重力的作用，地震發生的時候，墻體還要受到水平地震作用、豎向地震作用，多種力的作用下，結構是否會發生破壞，破壞的情況是否嚴重，在一定程度上取決于結構的類型、結構的構造措施。砌體結構具體的震害表現在以下幾個方面：第一，房屋倒塌。房屋倒塌有整體倒塌和局部倒塌，當底層墻體強度弱，地震力較大時，容易發生整體的倒塌，當墻體的整體強度較高，只是局部構件之間的連接出現問題時，表現為墻體局部的倒塌。第二，墻體開裂。當地震力產生的主拉應力比砌體自身的抗拉強度還要大的時候，會使墻體產生斜裂縫；外縱墻窗口的地方非常容易產生水平裂縫，究其原因，主要是樓蓋自身的剛度小，橫墻的間距設置的過大，地震力不能有效地傳遞給橫墻，從而引起裂縫；墻體上還會形成一些交叉的裂縫和豎向裂縫。第三，墻角破壞、縱橫墻連接破壞。墻角剛好處于縱墻和橫墻的交接處，要受到兩個不同方向的地震力的作用，破壞形態多種多樣，縱橫墻體的連接部位，沒有非常可靠的拉結，再加上施工時候砌筑質量不佳，忽視咬茬砌筑，容易出現應力集中現象，可能會產生豎向裂縫或者是墻體整體倒塌。第五，樓梯間的破壞。地震作用下，樓梯間兩側的承重墻體發生的破壞比較嚴重，主要是原因是，在砌體結構中，樓梯間的開間一般設置的不會很大，這就導致水平方向的剛度較大，當發生地震時，分擔地地震力相對也較大，容易發生破壞。

三、建筑結構抗震設計的措施

（一）多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計措施

首先，考慮結構的選型。框架結構是由梁、柱構件承擔水平和豎向荷載的結構體系，框架結構的優點是布置比較靈活，容易形成較大的空間，缺點是抗側剛度比較小，所以當建筑物的高度較大，或者是對側移控制較為嚴格時不適用。抗震墻結構是由縱、橫雙向布置的鋼筋混凝土墻體共同承擔水平和豎向荷載，相比框架結構而言，抗側剛度、抗震性能好，但平面布置不夠靈活、造價較高。框架---抗震墻是框架結構和抗震墻結構的組合，優勢互補，在商住、會展等綜合功能要求高的建筑物中大量采用。筒體結構是由縱、橫雙向布置的抗震墻或密布的框架柱形成平面閉合狀結構，其整體空間剛度比其他常用結構體系更大，多用于超高層建筑中。其次，考慮抗震等級。嚴格遵守當地的設防烈度和抗震等級，根據建筑物的特點，選用不同的結構體系，并將其控制在規范規定的高度內。最后，遵守結構布置的一般原則。結構的平面布置外形追求簡單、規則、對稱，豎向布置要保證側向剛度均勻變化，防震縫的設置要滿足地震時的變形要求。

（二）多層砌體結構房屋抗震設計措施

砌體結構的結構方案和結構布置應當遵循以下的規定：首先，選擇合適的結構體系，盡量選擇橫墻承重或者是縱橫墻同時承重。其次，房屋的層數和總高度限值要符合相關的規定。研究表明，砌體房屋的高度越大、層數越多，震害就越嚴重。然后，限制房屋的最大高寬比。若高寬比較小，地震力引起的變形主要是剪切變形，若高寬比增大，會增加彎曲效應，增加震害力。最后，限制房屋局部尺寸。多層砌體房屋的窗間墻、凸出屋面的女兒墻等都屬于抗震的薄弱環節，因此，抗震規范規定這些部位的局部尺寸限制。

四、結語

一般來說，將結構自身的承載力、剛度和延性進行適當的提高，是我們抗震的重點工作，實際上，這是一種比較被動的抗震措施。時代在發展，科技在進步，人們正在探索更加合理有效的抗震方式。例如，通過采用隔振和消能減震設計來實現抗震，這種方式比較積極主動，也是抗震方向的取得重大突破，很多國家都開始研究這種抗震方式，并且在工程中也得到了成功的應用。