抗震理念以及民用建筑結構設計對策

王道任

山東省龍口市城鄉建設事務服務中心（265701）

0 前言

在我國民用建筑的結構設計中，抗震設計是建筑整體穩定性的關鍵，同時也是我國民用建筑設計的難點。我國近幾年大中城市外來人口急劇增長，城市的用地緊張，高層民用住宅的需求量越來越大。對于高層住宅而言，抗震理念設計顯得更加重要。這就要求設計師根據各個結構的特點，進行不同形式的抗震設計。

1 抗震理念的發展目標

我國自古以來就經常發生地震災害。如我國在1976年發生的唐山大地震，就是亞歐板塊與環太平洋板塊地震帶擠壓而產生的，包括后來的四川省汶川大地震，這些地震深深影響著我國人民的心理。我國政府于是痛定思痛，重新調整了民用建筑的抗震理念。因為在我國的地震中，建筑物損壞、倒塌問題比較常見，究其原因都是由于建筑結構設計中的抗震設計水平比較低而引起的。我國的抗震理念的發展目標在政府的支持下，逐漸朝著規范化、制度化發展。在現階段民用建筑的抗震設計中，目標是以民用建筑所在地區的地震大小作為參考，來改變建筑結構中主要構件來提升承載力，并且通過設計師的結構計算來分析建筑物的彈性變形情況，經過多重要素的分析，最后確定抗震設計的標準。我國對現階段的抗震理念有著明確要求，要保證民用建筑可以抵抗第三水準的地震，從而最大程度避免地震對建筑穩定性構成負面影響[1]。

2 民用建筑的結構特征

2.1 磚木結構

民用建筑的磚木結構是最簡單的結構形式，顧名思義，主要包含磚結構和木結構兩種形式。具體而言，主體、墻體等一些負責豎向承重的結構，主要為磚材質；而屋架、樓板等橫向結構，則為木材質。磚木結構有著易準備、費用低等優勢，不會為工程帶來較大成本投入，一般都用于農村房屋的建設。在結構表現上，磚木結構空間分隔方便，施工工藝簡單，施工材料單一，不過磚木結構建造出的房屋，往往使用年限較短，并且極容易被地震摧毀，造成居住者有人財兩失的危險。

2.2 框架結構

框架結構作為結構形式的一種，在民用建筑中并不鮮見。框架結構是由框架梁、柱共同承擔主要的荷載。框架中的非承重墻，在功能上主要用于分隔空間。這些后砌墻只需要承擔自身的重量，不承受其他任何方式的負重。框架結構的設計優勢相對明顯，墻體材料一般都是采用新型環保材料，自身重量不大，而且建筑內部平面布置十分靈活，在需要較大的空間時，框架結構往往可以表現出色。但是框架結構在抗震方面有著明顯的缺點，原因是框架結構本質上為柔性結構框架，不具備較大側向剛度，往往在強地震下，框架結構在水平上發生的位移比較大，對建筑物整體穩定性易造成較大負面影響。

2.3 鋼結構

近年來，隨著我國建筑行業的發展，鋼結構的建筑越來越多地用于居民樓建設。鋼結構是指主體材料為鋼材質，包括柱、梁都是鋼材質的結構形式。鋼結構由于其自身的輕便以及施工的簡便，大規模用于我國廠房、住宅等的建設。鋼結構也是各種建筑結構中抗震性能較好的。地震強度低時建筑基本不會被破壞，當地震強度高時也能保證整個建筑不會出現大面積坍塌。但是鋼結構的施工費用比較高，防火性能比較差。

2.4 砌體結構

砌體結構在我國農村地區相對較為常見，又稱磚混結構。一般的砌體結構適合開間規整、層數不多的建筑。如果建筑層數較少，房間面積不大，則砌體結構適用性較強。砌體結構由于承重構件主要為砌體，遇到地震時，較容易發生脆性破壞，坍塌的可能性較大，最終發生不可挽回的經濟損失和生命危險[2]。

3 不同建筑結構在地震中的形態

3.1 磚木結構在地震中的形態

磚木結構一般沒有抗震設防結構措施。由于木屋架、檁條等結構連接不穩定，受到地震力作用，容易對磚木結構產生橫向和豎向的牽引力，破壞不同構件的正常連接，導致結構整體或部分倒塌，造成重大災害。

3.2 框架結構在地震中的形態

框架結構的箍筋鉤長度太短，在地震環境下很容易導致錨固效應失效，從而令混凝土約束力受到影響，無法正常保持支持鋼筋的縱向力。例如底層填充墻，窗下的墻將框架的長柱變為短柱，從而導致剪切破壞。結構間變形縫間距一般過小，地震時建筑物發生扭轉變形，造成相互碰撞。框架結構的建筑物一般不用，因此不會出現比較嚴重的后果，但也會對建筑物外立面的美觀性造成較大影響，極大增加建筑使用者心理負擔，影響震后使用，框架填充墻損壞嚴重。

3.3 鋼結構在地震中的形態

切割連接的結構件，連接方式無外乎焊接或鉚接。若焊縫連接不達標，則節點區域可能存在應力集中和低應力現象，在地震中容易發生連接損壞。梁、柱節點可能出現的失效現象，例如鉚接斷裂、焊接件錯位、加勁肋斷裂類型及屈曲、腹板斷裂及屈曲等。當地震強度較大時，支座承受反復拉壓的軸力，一旦軸力超過構件的屈曲臨界力，就會發生失效或失穩[3]。

3.4 砌體結構在地震中的形態

對于剛性樓板的民用建筑，上層損傷較輕，下層損傷較重；對于柔性樓板建筑，上層的損壞較重，下層的破損壞較輕。橫向承重建筑的震害比縱向承重建筑輕；固體地基上建筑物的震害輕于軟弱地基和不均勻地基；預制樓板結構的損傷較現澆樓板結構大；游廊房屋經常受到地震的嚴重破壞；房屋兩端、轉角、樓梯及附屬結構震害嚴重。

可以看出，即使是同樣的地震情況，建筑結構也會因自身抗震設計情況，出現不同損傷。因此，抗震應結合不同因素，包括結構類型、地震反應特征、地震破壞模式等提高設計的針對性。

4 基于抗震理念進行民用建筑結構設計方式

高層建筑結構通常會以框架剪力墻體系為主，此類框架結構靈活性較強，剛度和抗震性能整體較好，在面臨水平方向力時，框架與剪力墻相互之間可以共同工作。具體而言，豎向載荷主要由框架承擔，水平方向的剪力主要由剪力墻承擔。在抗震結構設計方面，為防止剪切力破壞墻肢，實現抗震能力的有效提升，可通過將阻尼裝置設置于建筑連接縫、支撐、剪力墻等處，通過非線性摩擦滯回變形原理，達到吸收地震能量的目的，減少結構水平方向和豎向地震反應，防止建筑整體結構被進一步破壞。

4.1 合理設置隔震裝置

想要合理設置隔震裝置，就要明白隔震技術如何使用。隔震技術的應用就是指在基礎頂面和上部結構之間，安裝一層具有可靠性的隔震層，將基礎和上部結構隔離開來，有效控制上部荷載的傳遞。這就要求設計時根據結構形式及本地區的地震烈度情況選用合理的隔震減震裝置。例如，黏彈性條板式減震裝置就是一種十分低廉的隔震裝置，十分適合我國經濟欠發達地區的住宅建設。各種不同的隔震裝置中，黏彈性條板式減震裝置通常會在框架范圍設置，組裝方式形似“八”字，能最大程度避免地震波令建筑物出現水平位移的情況，避免建筑物中人身財產安全受到較大威脅。實踐證明，黏彈性條板式減震裝置建造的價格比市面上的其他減震裝置低，而且防震隔震效果更好，在大地震中基本可以保證建筑物的震動強度減少50%，能有效減少地震力。

4.2 建立抗震防線

在抗震設計中，抗震防線的建立是至關重要的一環。例如，在框架剪力墻結構設計階段，要求建筑整體在小幅和中幅地震波動下不受影響，若連梁結構受到地震影響失效，其他結構同樣需要達到承載要求，防止建筑整體出現倒塌情況。另外，相關設計要求規定，應以剪力的20%為標準，控制框架柱剪力要求，也要根據要求放大地震力。這種情況下，就算剪力墻在地震環境中不堪重負，框架柱仍具有一定的承載能力，從而令結構整體穩定性達到要求。抗震防線是預防地震破壞影響的一種重要方式。在做好地震防線的同時，還要根據地震安全性評價體系，提高地震預防政策制定的針對性，通過此前發生地震的數據，采取合理的結構形式，達到抗震設計要求。

4.3 提升民用建筑弱承部位的抗震性能

在民用住宅的房屋設計中，墻體和柱的設計都是按照房屋的抗震需要布置的。屋內的絕大多數地方不可以進行改造，否則就會破壞了整個房屋的整體防震設計，遇到地震時就會發生不可挽回的后果。例如，民用建筑的剪力墻，在剪力墻拆除后，就可能導致該樓層甚至整座建筑的內力重新分布。如果發生強震，有可能會導致整體倒塌。所以，這就要求設計時對重點部位提高抗震措施，盡力加強和保護整個建筑的弱承部位。一些建筑團隊往往存在偷工減料的現象，這就要求建筑團隊內部要加強監管，嚴格把控民用住宅的弱承部位[4]。

5 建筑結構抗震設計主要思路

首先，應當通過合理的剛度分布，提高控制的適應性，使在地震情況下建筑物整體梁、墻等結構的變形向非彈性變形過渡，最大程度減少地震能量對建筑整體的影響，避免建筑倒塌。在這種設計思想下，建筑整體結構不僅要達到結構功能的使用要求，而且應保證達到抗震要求。為將抗震設計的局限性降至最低，應將地震重現期納入考量的各項因素中，進一步規范抗震設計。

其次，通過構造方法加強薄弱環節，這也是抗震設計中各項工作中的重中之重，盡可能提高變形能力，防止薄弱層出現轉移現象，從而實現抗震性能的有效提升。

最后，建筑結構性能應達到設計要求。在建筑理念上，從傳統重視安全結構，轉為重視建筑性能，結合多種因素在設計上體現出創新要求。抗震設計也一樣，在設計時應當結合不同目標性能，進一步細化建筑使用要求，在明確建筑產生效益的基礎上，提高結構設計的合理性，減少抗震設計的過多投入，有效控制成本，從而提升建筑工程整體質量。

6 民用建筑結構抗震設計理念與工程實例分析

青島某建筑工程項目地上26層，地下3層，總建筑面積約6萬m2。其中地下3層為車庫及設備用房。1～3層為商場，4～5層為辦公用房，6層為設備轉換層，7～26層為住宅層。7層樓用作結構轉換層。

建筑總高出地面85 m，以框架剪力墻作為主體結構，柱截面800 mm×1 200 mm、900 mm×1 200 mm，墻厚200～400 mm，裙樓板厚110 mm，住宅板厚100 mm，屋面板厚120 mm，轉換層板厚180 mm，梁截面為200 mm×400 mm～250 mm×600 mm，轉換層框架梁為400 mm×1 400 mm～500 mm×1 600 mm。

根據有關規范要求，本工程平面及豎向規整性指標中有四項存在不符合現象。

1）扭轉不規則性。如果將地震可能產生的偏心影響考慮在內，則應以1.2倍樓層平均值為標準，計算高層建筑豎向構件可能存在的水平位移最大值。該值應為1.2～1.4倍，本工程最大值為1.31，屬于Ⅰ類扭轉不平順。

2）不規則凹凸。該T型孔型框架結構平面最大凸出尺寸L=17.25 m，Bmax=41.30 m，比值為41.8%，大于35%。

3）樓板局部不連續。電梯間局部樓板凈寬度最小值為3 m，規范要求，樓板凈寬度最小值應在5 m以下，符合有關要求。

4）豎向抗側力構件不連續。框架剪力墻通過轉換梁傳遞到框架柱上，轉換梁為Ⅱ類豎向抗側力構件，不連續，滿足相關規范。

從工程實例可以看出，從抗震理念的角度來看，抗震結構設計方法的最終目的是保護生命安全。抗震設計不僅要防止建筑物倒塌，而且要根據建筑物的用途和重要性，有效地控制建筑物受損程度。

7 結語

隨著我國經濟的發展，人們的安全意識在不斷加強，經過很多次地震的洗禮后，民用建筑的抗震理念必須體現在每一個樓盤中。加強民用建筑結構抗震設計的研究，是對我國居民人身財產安全的基本保障，也是增強我國居民幸福感的一個重要因素。加強抗震理念的建設，勢必會使我國民用建筑達到更高的層面。