建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及重要性分析

趙志強(qiáng)

（山西省陽泉市建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 陽泉 045000）

地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞力度較大， 且地震后往往伴有不同震級(jí)的余震， 從而對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成持續(xù)性的危害。 在現(xiàn)階段的建筑工程建設(shè)中， 普遍應(yīng)用的是混凝土結(jié)構(gòu)， 需要在項(xiàng)目初期便由專員開展結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作， 切實(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能， 使其有效抵御地震造成的不良影響， 為人們的人身財(cái)產(chǎn)安全提供保障。 而建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，期間涉及到諸多作業(yè)要點(diǎn)， 有必要加強(qiáng)探索， 理清設(shè)計(jì)思路， 把握設(shè)計(jì)方法。

1 “結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)” 的含義

建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)理具有復(fù)雜性，難以進(jìn)行精確的參數(shù)計(jì)算。 因此， 工程技術(shù)人員高度重視“結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)”， 在持續(xù)性的探索下， 提出具體的設(shè)計(jì)原則和思路， 兼顧建筑總體結(jié)構(gòu)和細(xì)部構(gòu)造， 以統(tǒng)籌規(guī)劃的方式完成設(shè)計(jì)工作。 在該理念下， 有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震水平， 也給抗震計(jì)算創(chuàng)設(shè)了良好的條件， 此時(shí)的抗震計(jì)算結(jié)果具有參考價(jià)值， 可在一定程度上反映結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的具體狀況。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的必要性

3 建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則及規(guī)定

3.1 建筑建設(shè)場(chǎng)地合理性的原則

建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力在很大程度上取決于場(chǎng)地條件。 以相同類型、 相同規(guī)模的建筑物為例， 隨著建造場(chǎng)地的變化， 在同一等級(jí)的地震作用下所出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象不盡相同。 其中， 斷層通過或斷層交匯的地帶發(fā)生地震后所造成的影響較為嚴(yán)重， 因此在建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免在此類場(chǎng)地開展建筑建設(shè)工作。

3.2 地震次生災(zāi)害可控性的原則

地震引發(fā)的次生災(zāi)害也需得到有效的控制， 其無疑是建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中不可忽視的一部分。 在地震區(qū)開展建筑設(shè)計(jì)、 建設(shè)工作時(shí)， 應(yīng)注重建筑間距的合理性， 不宜小于房屋高度的1 ～1.5 倍， 在此前提下， 便于在發(fā)生地震后人員的高效疏散， 也能夠給抗震臨時(shí)設(shè)施的修筑提供充足的空間。 此外， 還需規(guī)避“房高巷小” 的問題， 否則建筑在地震作用下倒塌， 隨之導(dǎo)致道路阻塞。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)方案可行性的原則

在建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)中， 需要充分考慮到抗震設(shè)防類別、 建筑高度、 建筑建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地條件等，從安全性、 技術(shù)可行性、 經(jīng)濟(jì)效益性多個(gè)方面做對(duì)比分析， 確定最為合適的建筑結(jié)構(gòu)體系。 作為一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)的建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案， 其需要有簡(jiǎn)明的地震作用傳遞路徑， 要求建成的結(jié)構(gòu)體系具備足夠的抗震承載力以及消耗地震能量的功能， 確保在局部構(gòu)件出現(xiàn)異常后建筑整體仍具備抗震能力。 而針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的薄弱部位， 則需加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)。

3.4 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件妥善處理的原則

建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件包含框架填充墻、 樓梯踏步板等， 對(duì)于此類結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 在結(jié)構(gòu)分析中不考慮重力荷載及風(fēng)、 地震等側(cè)力荷載對(duì)其產(chǎn)生的影響。 但部分結(jié)構(gòu)較為特殊， 例如內(nèi)墻壁， 若建筑所在地區(qū)發(fā)生地震災(zāi)害， 此時(shí)此類構(gòu)件也將參與工作（僅僅是參與的程度不同而已）， 結(jié)構(gòu)的剛度、 承載力可能發(fā)生變化，既有可能由于此類構(gòu)件的參與而取得突出的抗震效果， 又有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的局部震害， 即出現(xiàn)兩種極端現(xiàn)象。 由此看來， 需要在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中充分關(guān)注到此類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 妥善設(shè)計(jì)， 最大限度減輕震害。

3.5 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一般規(guī)定

1） 對(duì)于豎向和平面均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)， 其適用的最大高度需適當(dāng)降低， 若建筑建設(shè)在Ⅳ類場(chǎng)地， 也有必要降低最大高度， 以保證建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的穩(wěn)定性。

2） 鋼筋混凝土建筑的抗震等級(jí)需合理， 具體根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、 烈度、 房屋高度而定。

3） 抗震等級(jí)的確定是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。 對(duì)于框架-抗震墻結(jié)構(gòu)而言， 若框架可承受的地震傾覆力矩超過結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的1/2， 則根據(jù)框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理設(shè)定抗震等級(jí)。 在裙房與主樓相連的結(jié)構(gòu)布置方式下， 不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí)。裙房與主樓分離布置時(shí)， 按裙房本身確定合適的抗震等級(jí)， 使裙房在遇到特定等級(jí)的地震災(zāi)害后仍有足夠的穩(wěn)定性。 地下室頂板兼并作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)， 則根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況確定地下一層的抗震等級(jí)， 要求兩者保持一致， 地下一層以下的部分可采用三級(jí)或更低等級(jí)。 建筑抗震設(shè)防類別為甲、 乙、丁類時(shí)， 著重參考抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)， 以此來確定適宜的抗震等級(jí)。 需注意的是8 度乙類建筑高度超規(guī)定的情況， 此時(shí)需要加強(qiáng)技術(shù)研究， 較為合適的是采取比一級(jí)更有效的抗震措施。

原油組分與CO2的MMP變化與包裹相CO2的表面張力大小相關(guān)。在相同溫度、壓力條件下，原油中同族烴類/CO2體系的平衡表面張力隨著碳數(shù)的增加而逐漸增大，增加幅度相近。通過對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合分析，隨著壓力的升高，表面張力呈線性關(guān)系下降(見圖3～圖5)。

4） 若為高層混凝土房屋， 考慮到其在地震作用下的穩(wěn)定性要求， 避免采用規(guī)定的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)方案。

4 抗震計(jì)算

建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)按流程有序完成， 具體包含地震作用計(jì)算和結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 具體做如下幾點(diǎn)分析。

4.1 地震作用計(jì)算

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中考慮抗側(cè)力構(gòu)件， 要求此類構(gòu)件在建設(shè)成型后可有效抵御各方向的水平地震作用， 且相交角度超15°時(shí)， 需確定抗側(cè)力構(gòu)件方向水平地震作用。 根據(jù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度分布特點(diǎn)加以分析， 若不具備對(duì)稱分布的條件， 則還需充分考慮到雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法的選取至關(guān)重要， 應(yīng)用較為廣泛的有底部剪力和振型解反應(yīng)譜， 必要時(shí)可在該基礎(chǔ)上輔助應(yīng)用時(shí)程分析法，例如尤為不規(guī)則的高層建筑， 在其結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中則需考慮到時(shí)程分析法的有效應(yīng)用。

在采用抗震計(jì)算方法時(shí)， 視實(shí)際情況做靈活的選擇： 高度未超40m、 以剪切變形為主、 質(zhì)量與剛度沿高度方向均勻分布時(shí)， 可以考慮采用底部剪力等簡(jiǎn)化方法； 而對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)限定范圍的高層建筑， 或是甲類、 烈度不規(guī)則建筑， 此時(shí)可以輔助應(yīng)用到時(shí)程分析法， 進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算

對(duì)于多遇地震的工程條件， 在驗(yàn)算樓層內(nèi)最大彈性層間位移時(shí)， 需滿足如下要求。

ΔU e≤[Qe]h

此外， 還考慮到罕遇地震下的抗震變形驗(yàn)算， 若有如下幾種結(jié)構(gòu)， 均有必要安排彈塑性變形驗(yàn)算： 7～9 度時(shí)樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)未超過0.5 的框架結(jié)構(gòu)；高度達(dá)到150m及以上的鋼結(jié)構(gòu)等。 而對(duì)于如下幾種結(jié)構(gòu)， 則有必要安排彈塑性變形驗(yàn)算： 7 度Ⅲ、 Ⅳ類場(chǎng)地與8 度時(shí)乙類建筑的鋼筋混凝土板柱、 抗震墻； 場(chǎng)地內(nèi)限定高度范圍的高層建筑等。

5 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的具體要點(diǎn)

5.1 水平荷載的設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中， 水平荷載主要包含風(fēng)荷載和水平地震作用。 有效控制水平荷載對(duì)于提高結(jié)構(gòu)抗震性能而言有重要的意義， 關(guān)鍵原因在于： 1）由于重力荷載和水平荷載的共同作用， 將導(dǎo)致建筑同時(shí)存在軸力、 剪力、 彎矩， 此類力的作用易破壞建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 導(dǎo)致其在地震作用下受損、 倒塌； 2）由于水平荷載的作用， 建筑結(jié)構(gòu)存在彎矩， 也將影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5.2 側(cè)向位移控制

側(cè)向位移控制也是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。 縱觀建筑行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r， 可知建筑具有高層化、 規(guī)?；淖兓厔?shì)， 此時(shí)將明顯加大側(cè)向位移的控制難度。 若建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和施工中未有效控制側(cè)向位移幅度， 將嚴(yán)重威脅到建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 嚴(yán)重時(shí)甚至有墻面開裂、 倒塌等異常狀況， 造成大范圍的不良影響。 可見， 設(shè)計(jì)人員需密切關(guān)注側(cè)向位移， 在設(shè)計(jì)階段便予以有效的控制。

5.3 建筑工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體方法

1） 密切關(guān)注建設(shè)場(chǎng)地和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。 在建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中， 需考慮到地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性， 以免由于地震的出現(xiàn)而威脅到人員的人身安全。 其中， 建筑選址尤為關(guān)鍵， 需避開不利地段， 若由于條件限制而無法避開， 則需采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施， 以抵御不良地質(zhì)條件的影響。 在建筑場(chǎng)地選址中， 需要盡可能地減小地震時(shí)的地震力， 以免建筑物在地震波的作用下而發(fā)生異常。

2） 注重對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。 從既有的設(shè)計(jì)方案出發(fā)， 做深度的優(yōu)化， 此舉對(duì)于提高建筑物的抗震性能而言有重要意義。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化中，需要注重的是建筑延性， 即指的是在地震災(zāi)害下結(jié)構(gòu)有足夠的變形能力， 以便用于消耗地震力， 從而避免建筑出現(xiàn)嚴(yán)重受損、 倒塌的異常狀況。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 還需注重豎向、 水平方向的受力特點(diǎn)， 富有針對(duì)性地設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)， 保證各方向受力的合理性， 使建成的建筑有足夠的抗震性能。

3） 建筑延性系數(shù)設(shè)計(jì)。 通過建筑約束箍筋的應(yīng)用， 來提高建筑混凝土結(jié)構(gòu)的工程性能， 確保其能夠有效承受極限壓應(yīng)變。 在建筑延性設(shè)計(jì)中， 需要著重圍繞建筑結(jié)構(gòu)延性、 構(gòu)件延性、 截面延性開展針對(duì)性的設(shè)計(jì)工作。 其中， 結(jié)構(gòu)延性的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的是頂點(diǎn)位移延性和層間位移延性， 具體如圖1 所示； 構(gòu)件延性設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)考慮對(duì)象為截面延性、 塑性鉸區(qū)長度等， 盡可能做系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)； 截面延性設(shè)計(jì)時(shí)也涉及到諸多因素， 包含混凝土強(qiáng)度、 縱筋含鋼率、 軸壓比等。 簡(jiǎn)言之， 無論何種延性設(shè)計(jì)， 均要關(guān)注到影響延性的具體因素， 做系統(tǒng)性的分析， 予以有效的協(xié)調(diào)， 盡可能保證延性設(shè)計(jì)的可行性。

圖1 延性曲線

4） 加強(qiáng)抗震驗(yàn)算。 在設(shè)防烈度下， 建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。 構(gòu)件截面抗震驗(yàn)算所需考慮的關(guān)鍵參數(shù)包含非抗震承載力設(shè)計(jì)值、 承載力抗震調(diào)整系數(shù)， 做全面的分析， 較為合適的方法是將地震作用效應(yīng)值乘以抗震調(diào)整系數(shù)。 按照該方法加強(qiáng)抗震驗(yàn)算后， 可以有效提高建筑抗震設(shè)計(jì)的可行性， 確保建筑的抗震設(shè)計(jì)效果能夠達(dá)到要求。

5） 聯(lián)合設(shè)立多道抗震防線。 為充分發(fā)揮出抗震結(jié)構(gòu)體系的抗震性能， 有必要設(shè)多道抗震防線， 共同應(yīng)用各類具有較好延性的分體系， 集多部分優(yōu)勢(shì)于一體， 共同參與到抗震工作中。 其中， 框架-抗震墻體系則較為典型， 其包含抗震墻和延性框架， 通過兩者的共同應(yīng)用， 可有效增強(qiáng)抗震效果。 結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 建立規(guī)律分布的屈服區(qū)， 充分發(fā)揮出建筑結(jié)構(gòu)在吸收地震能量方面的作用， 盡可能減小地震造成的不良影響。 根據(jù)規(guī)律， 若建筑基本周期和地震卓越周期趨近， 則均可以有效發(fā)揮出冗余設(shè)計(jì)的功能。 同時(shí)， 在聯(lián)合應(yīng)用多道抗震防線后， 能夠增強(qiáng)整個(gè)抗震體系的可靠性， 即便某一道的抗震防線受損， 其余的各道防線可及時(shí)發(fā)揮出作用， 保證建筑的穩(wěn)定性和完整性， 減輕地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不良影響。

6） 基于能力譜方法的抗震設(shè)計(jì)。 基本前提是建立地震反應(yīng)譜曲線和建筑結(jié)構(gòu)能力譜曲線， 對(duì)兩者做疊加處理， 從而評(píng)估在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性。 為此， 首先需要明確的是反應(yīng)譜和能力譜的具體概念， 前者指的是單自由度體系在特定地震輸入時(shí)的加速度譜， 后者指的是等效單自由度體系的加速度和位移的關(guān)系曲線。 能力譜法的核心內(nèi)容在于基于承載力的設(shè)計(jì)方法加位移、 變形的能力校核。 地震動(dòng)瞬時(shí)能量對(duì)結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)有著顯著的影響， 甚至起到一定程度上的決定性作用， 但若要構(gòu)建完善的有效建筑抗震設(shè)計(jì)框架并非易事， 其還需考慮到方方面面，做深入的探索極具必要性。

7） 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震措施及抗震構(gòu)造措施。 抗震措施是除地震作用計(jì)算和抗力計(jì)算以外的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容， 包括抗震構(gòu)造措施。 抗震構(gòu)造措施是依據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)原則， 一般不需計(jì)算而對(duì)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)各部分必須采用的各種細(xì)部要求。 提高抗震措施著眼于保證薄弱部位的安全， 比如內(nèi)力調(diào)整（強(qiáng)柱弱梁、 強(qiáng)剪弱彎、 強(qiáng)肢弱梁） 都是這種出發(fā)點(diǎn)； 提高抗震構(gòu)造措施則在不牽涉計(jì)算和調(diào)整前提下， 對(duì)上述薄弱部位人為加大鋼筋用量， 是一種簡(jiǎn)單化做法。 提高抗震措施， 則抗震構(gòu)造措施也提高。 故此加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震措施及抗震構(gòu)造措施可以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性， 保證抗震目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)， 彌補(bǔ)抗震計(jì)算的不足。

8） 妥善協(xié)調(diào)剛度和承載力分布， 同時(shí)加強(qiáng)對(duì)延性的設(shè)計(jì)。 在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中， 要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件具備突出的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)， 例如較高的承載能力和剛度， 而分析發(fā)現(xiàn)， 兩者具有相關(guān)性， 即隨著建筑結(jié)構(gòu)剛度的增加， 所具備的承載能力隨之增強(qiáng)。 根據(jù)該規(guī)律， 在設(shè)計(jì)中若增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力， 則有利于減輕地震對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服程度， 在此關(guān)系下， 對(duì)構(gòu)件延性的要求有所降低， 但與之相矛盾的是建筑工程成本有所提高。 因此， 在確保建筑抗震結(jié)構(gòu)具有可靠性的同時(shí)， 還需注重成本控制方面的需求， 建立經(jīng)濟(jì)高效的抗震結(jié)構(gòu)體系， 確保在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)仍具備足夠的抗倒塌能力， 合理的狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是通過延性耗散地震能量， 減輕地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的不良影響，以免出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)倒塌的異常狀況。 同時(shí)， 在建立經(jīng)濟(jì)高效的抗震結(jié)構(gòu)體系后， 還可減少建筑的建設(shè)成本投入， 保證建筑工程有足夠的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

地震是一類突發(fā)式的自然災(zāi)害， 地震的發(fā)生易破壞建筑的穩(wěn)定狀態(tài)， 進(jìn)而由于建筑異常而威脅到人員的人身財(cái)產(chǎn)安全。 為此， 在建筑工程中， 設(shè)計(jì)單位需要高度重視建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作， 加強(qiáng)參數(shù)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等， 通過多項(xiàng)措施的有效落實(shí)， 切實(shí)提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能， 使其在遇到地震時(shí)仍有足夠的穩(wěn)定性， 最大限度減小因地震所造成的不良影響。