談土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計要點

李鋼城

重慶僑恩創(chuàng)源建筑設(shè)計有限公司 重慶 400039

近幾年，由于發(fā)生的一些地震災(zāi)害導(dǎo)致城市中的高層建筑受到了嚴(yán)重的破壞，不但造成了巨大的經(jīng)濟損失，還給人們帶來了生命財產(chǎn)安全的威脅。因此，國家和社會加大了對建筑抗震性能的重視程度，要求建筑企業(yè)以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作人員必須合理地設(shè)計高層混凝土結(jié)構(gòu)，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 抗震設(shè)計的意義

現(xiàn)在，世界上絕大部分的國家都有各自的建筑抗震設(shè)計規(guī)范。受到地震災(zāi)害影響過程中，如果建筑物的使用功能和所采用的結(jié)構(gòu)布置不協(xié)調(diào)，那么結(jié)構(gòu)體系的抗震性能難以得到有效利用。當(dāng)出現(xiàn)破壞時，新建的建筑費用要比維修舊建筑的費用高。從經(jīng)濟成本來講，是非常不合算的，所造成的經(jīng)濟損失是無法估計的，這是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要任務(wù)[1]。

2 土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計

2.1 依據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范平面及豎向設(shè)計

平面規(guī)則與建筑物的穩(wěn)定性也存在一定的聯(lián)系，這是設(shè)計人員在設(shè)計過程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長度不宜過長，不宜采用角部重疊或細(xì)腰形的平面布置。因此，結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡單、規(guī)則、對稱，避免剛度、質(zhì)量和承載力分布不均勻。對于有較多凹凸口的復(fù)雜形狀平面要進(jìn)行特殊設(shè)計或采用一定的補救措施，以最大限度地保證建筑的穩(wěn)定性。

對于抗震高層建筑的結(jié)構(gòu)豎向布置，應(yīng)避免過大的外挑和收進(jìn)，宜規(guī)則、均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度也應(yīng)該做到上小下大均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。

對于結(jié)構(gòu)平面及豎向的不規(guī)則性判斷，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）表3.4.3-1及表3.4.3-2中有詳細(xì)判定，如扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的定位和參考指標(biāo)為，在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移或（層間位移），大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍。

2.2 加強抗震防線設(shè)計

隨著人們對高層建筑抗震效果的重視程度的提高，相關(guān)設(shè)計人員除了要確保建筑基本的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及安全建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，還需要提高現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。在設(shè)計高層混凝土建筑的過程中，需要加強抗震防線的設(shè)計。

如果發(fā)生地震，建筑物可以處于多條防線的保護下，盡可能地防止出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)坍塌的情況，從而增強建筑結(jié)構(gòu)的平衡性。因此，設(shè)計人員需要根據(jù)國家所制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)的抗震級別，不斷提高混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的材料屬理想彈性體，符合工程力學(xué)的基本假定，可在抗震設(shè)計中充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的材料塑性、彈性好的特點，允許有適度的變形，能很好地承受動力荷載，在罕遇地震作用下保持結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定，避免倒塌。高精度的加工制作工藝可以做到等強連接，實現(xiàn)強連接弱桿件的抗震設(shè)計原則，大大提高建筑物的抗震和承載能力[2]。

鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型的選擇關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性、實用性和經(jīng)濟性，可根據(jù)結(jié)構(gòu)總高和抗震設(shè)防烈度確定結(jié)構(gòu)類型和最大使用高度。同時鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)根據(jù)設(shè)防分類、烈度及高度采用不同的抗震等級，并應(yīng)符合相應(yīng)的計算和構(gòu)造措施要求

同鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。應(yīng)盡可能使房屋的剛度和質(zhì)量沿豎向均勻連續(xù)、沒有突變。

結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，可考慮多道抗震防線。宜使結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性相近，并盡量使其基本自振周期遠(yuǎn)離場地的特征周期，減小地震作用。

應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。例如，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成強柱弱梁型，以防止形成柱子倒塌結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)房屋宜避免采用不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)方案，不設(shè)防震縫。若房屋必須采用比較復(fù)雜的平面形狀時，則宜用防震縫將房屋劃分為幾個平面規(guī)則、對稱的獨立單元，為了避免地震時各部分之間相互碰撞，防震縫的寬度應(yīng)不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5倍。

2.4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

當(dāng)建筑筑遭遇災(zāi)難性地震時，在整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，良好的整體延性可以使其具有足夠的變形性能，實現(xiàn)預(yù)定屈服機制，以耗散地震能量，保護結(jié)構(gòu)不致發(fā)生倒塌破壞。空間整體性是指在結(jié)構(gòu)承受地震作用的過程中協(xié)同各結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同工作。保證豎向承載力。充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體抗震性能及結(jié)構(gòu)體系各構(gòu)件抗震潛能的能力。這也是保證“大震不倒”的前提。它主要取決于構(gòu)件、長寬比、平面特征、結(jié)構(gòu)形式之間連接的屈服機制、構(gòu)件破壞特征、方式與質(zhì)量等的因素。

地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性與強度同等重要，通常我們只需要按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合，驗算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形。而中震作用效應(yīng)則需要結(jié)構(gòu)靠一定的塑性變形能力(即延性)來抵抗。

因為地震的發(fā)生太偶然，倘使我們一味地追求結(jié)構(gòu)的強度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)不壞，這將會使極大量的材料在絕大部分時間里，甚至在整個壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做非常不經(jīng)濟，所以需要提前選擇合理的抗震設(shè)防目標(biāo)[3]。

3 結(jié)語

在民用建筑設(shè)計的過程中必須充分了解到抗震設(shè)計的意義所在，確保設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠保證建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。為達(dá)到這一要求，必須對抗震設(shè)計進(jìn)行深入的了解，并在設(shè)計過程中充分利用各種抗震措施，使建筑物滿足抗震設(shè)計的要求。