房屋建筑結構設計中抗震設計理念的具體實踐

張文海

（山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

房屋建筑結構的抗震性能設計始終是建筑設計中的技術難點問題，抗震設計理念最終要反映在具體的技術層面。現(xiàn)階段的建筑抗震設計集中在隔震、消震措施、延性結構、多種設防等層面，并在建筑場地選型、地基勘探環(huán)節(jié)也要考慮后期的抗震設計問題。在抗震設計理念和具體的抗震設計措施中建立聯(lián)系有助于提高建筑物抗震設計的目標感以及合理性，既能保證建筑物安全，又能降低建筑物的造價。

1 房屋建筑抗震設計理念

建筑抗震設計從20 世紀10 年代發(fā)展至今，已經形成了多種理論模型，先后產生了靜力理論、反應譜理論、動力學理論和基于性態(tài)的抗震設計理論，其中最后一種形成時間最晚（20 世紀80～90 年代），由美國科學家提出，是當前最重要的抗震設計理論模型。

我國的建筑結構抗震設計廣泛運用這些成熟的理論模型，在抗震設計目標上形成了明確的要求，可總結為12 個字：大震不倒、中震可修、小震不壞。其中震級大小的判斷標準為本地區(qū)的抗震設防烈度。以大震不倒為例，這一設計理念的涵義為當?shù)卣鸬恼鸺壐哂诒镜貐^(qū)的地震設防烈度時，建筑物整體結構不倒塌，不至于引發(fā)嚴重的人員傷亡。

通常地震帶覆蓋的地區(qū)發(fā)生地震的概率和地震烈度都更高，按照《建筑抗震設計規(guī)范》，當一個地區(qū)的地震設防烈度＜6 時，建筑物結構可不做抗震設計；當?shù)貐^(qū)的抗震設防烈度≥6 時，房屋建筑結構設計中必須考慮抗震設計方面的要求。抗震設防烈度反映出地震的強度，顯然，該數(shù)值越高，代表地震的破壞力越強。抗震設防烈度與地震的加速度值相關，表1 中記錄了抗震設防烈度與地震加速度值之間的對應關系。

表1 地震烈度及對應的基本地震加速度值統(tǒng)計表

2 房屋建筑結構抗震設計理念實踐應用

我國的建筑結構抗震設計理念從防災減災的角度出發(fā)，提出了宏觀性的要求，但這些理念的實現(xiàn)依賴于技術設計，包括地基、建筑結構選型、隔震消震措施等內容。

2.1 場地、地基和建筑基礎

2.1.1 場地選擇

選擇合適的場地可有效避免不良環(huán)境造成的風險。例如，發(fā)生地震時有可能造成崩塌、滑坡、泥石流等一系列地質災害，此類地質條件對于建筑抗震極為不利，屬于危險地段的范疇。因此，選擇房屋建筑場地時要提前規(guī)避不利和危險的地段。有利的地形為穩(wěn)定的基巖、堅硬土、中硬土等。

2.1.2 地基勘察

在掌握建筑物外圍環(huán)境后，需要進一步勘察地基條件。一是掌握是否存在軟土、膨脹土等不良地質條件。建筑物的自然地基是影響其抗震性能的關鍵性因素，軟土地質以粉土、淤泥質土壤、含水量較大的軟黏土為主，其承載力、抗剪切性能都很差，不利于形成堅實穩(wěn)定的建筑地基。二是勘察場地土的覆蓋層厚度。地面反映土的周期及其強度受場地土的影響，場地土下層是堅固的基巖層，場地土越厚，地震對建筑物的破壞程度也越大。

2.1.3 建筑基礎選型

建筑物基礎是上層構筑物的主要承載結構，也是影響建筑物抗震性能的關鍵構筑物。天然地基具有一定厚度的覆土層，對于高度較低的建筑物可采用天然土層夯實的地基施工方案，如果為高層建筑物，天然地基的抗震效果不能滿足要求。通常高層建筑采用樁基礎、條形基礎、片筏基礎等。以樁基礎為例，樁體打入天然土層后既能起到擠壓密實的作用，同時又可借助樁基礎達到堅固的持力層（如基巖），因此，其抗震效果比天然基土夯實的方案更加可靠。

2.2 建筑物結構規(guī)則性問題

建筑結構的規(guī)則與否對其整體的抗震性能具有深遠影響。規(guī)則的結構在荷載分布上更加均勻和連續(xù)，整個建筑物上不存在明顯的受力薄弱點，因此，在抵抗地震加速度時更加穩(wěn)定。對稱性是規(guī)則建筑結構的顯著特點之一，常見的如矩形、正方形、圓形等結構形式。城市建筑設計不斷追求個性化、藝術性，尤其是大型商業(yè)建筑，不規(guī)則的異型結構在建筑設計中出現(xiàn)的頻率不斷增加，由此也給抗震設計帶來了更大的難度。人類歷史上發(fā)生過的地震有力地證明了不規(guī)則建筑物的抗震性能較差，而對稱規(guī)則的建筑物抗震性能通常更加優(yōu)異。在《建筑抗震設計規(guī)范》中也提出要對不規(guī)則的建筑物加強結構抗震驗算，如采用時程分析法對這種建筑物的抗震性進行補充計算。常見的不規(guī)則結構為承載力發(fā)生突變的建筑結構和豎向抗側力不連續(xù)的建筑結構。

2.3 結構件變形提高抗震性能

現(xiàn)代化的建筑物多采用鋼筋混凝土施工材料，但這類施工材料剛度大、能量吸收效果差，進而導致地震作用使建筑結構難以消散能量。所謂延性結構指的是建筑物上可通過塑性變形吸收地震能量的結構物。目前，已經形成了較為成熟的延性結構設計方法。

2.3.1 強柱弱梁

延性結構設計的關鍵是將部分建筑結構設計為可屈服、可變形的結構，柱體和梁體都是建筑物中的重要承重結構，梁體是建筑物中的延性結構，在地震時吸收能量，柱體必須全部設計為剛性結構。這一設計原則決定于梁體和柱體在建筑物中的作用。因為柱體為豎向結構，如果柱體可變形，在發(fā)生地震時很容易導致建筑物整體結構倒塌，這一點違背了“大震不倒、中震可修、小震不壞”的設計要求。梁體的屈服變形既能吸收地震能量，又不會造成結構倒塌。

2.3.2 強剪弱彎

鋼筋混凝土梁、柱結構在地震作用下可發(fā)生剪切破壞和彎曲破壞，但這兩種破壞形式所產生的危害卻大不相同，剪切破壞對建筑物的危害更大，剪切作用下導致建筑物的強度和剛度大幅降低。彎曲破壞屬于典型的延性破壞，可吸收地震能量，同時降低建筑物破壞的嚴重程度，如圖1所示，從結構層面進行抗震。因此，在建筑物結構延性設計中提倡“強剪弱彎”。設計要點是確保抗震框架梁在箍筋加密區(qū)剪力設計值大于彎矩設計值。通過科學的配筋設計，使建筑物梁體在受彎破壞前不可出現(xiàn)剪切破壞的情況。

圖1 框剪結構的抗震設計

2.3.3 強節(jié)點，弱構件

建筑物的梁體、墻體、柱體等結構之間存在連接節(jié)點，當建筑物的節(jié)點在地震作用下失效時，與之相連的各種構件必然也會失去承重作用，但如果某個節(jié)點上的個別構件失效，其他構件還在繼續(xù)發(fā)揮作用。顯然，節(jié)點失效的危害遠高于構件失效。強節(jié)點、弱構件指的是節(jié)點的強度要高于各個構件，即使在地震作用下失效，也必須優(yōu)先保證節(jié)點的可靠性。

2.4 多重設防

在建筑抗震設計中，多重設防是一種有效的思路，其原理是在建筑物結構中設計多道防線，以結構物的塑性變形吸收能量，強度較弱的結構先發(fā)生延性變形，當其破壞后再危及下一道防線。例如，在鋼筋混凝土剪力墻—聯(lián)系梁結構中，聯(lián)系梁將作為第一道防線。聯(lián)系梁的主要作用是將建筑物分體結構連接為統(tǒng)一的整體，高層建筑中在每一層都可設置聯(lián)系梁。地震時，聯(lián)系梁增強了建筑物的整體性，聯(lián)系梁破壞后才會危及分體建筑。再如，砌體—構造柱結構也是多重設防的典型例子。當砌體墻寬度較大時，其中間部位成為薄弱點，并且砌體墻的拐角部位也存在類似問題，構造柱設計在墻體的接合部位，提高砌體墻的整體性，進而強化其抗震性能，構造柱成為抗震的第一道防線。可見，多重設防是一種行之有效的抗震設計理念，尤其是彌補了建筑物中較為松散和薄弱的結構。

2.5 隔震消震設計

2.5.1 隔震設計

地震作用產生自地下震源部位，通過基巖、自然土層等傳輸?shù)浇ㄖ锘A上，進而作用于上層構筑物。在傳統(tǒng)抗震設計思路中將重點放在提高上層構筑物的耗能水平和結構強度上。隔震設計的思路是在建筑物基礎結構上增加隔震裝置，這種裝置通常為柔性連接，具有較強的塑性變形性能，當?shù)卣鸩ㄗ饔迷诮ㄖA上時，由隔震裝置吸收大部分能量，避免其傳遞到上層的剛性結構上。典型的隔震裝置為隔震橡膠支座，如圖2所示。安裝了隔震支座的建筑物在地震作用下可延長自震周期，地震所產生的水平加速度在這種情況下可降低50%～60%，抗震效果優(yōu)異。

圖2 隔震橡膠支座示意圖

2.5.2 消震設計

消震設計主要利用具有消震、減震作用的裝置抵消地震所產生的能量，降低其破壞作用。阻尼器是一種典型的消震裝置，通常設置在超高層建筑物上。阻尼器的抗震原理是當建筑物受到地震作用而產生擺動時，阻尼器的擺動方向與建筑物的擺動方向相反，從而抵消能量。目前的消震設計方法具有多種技術路徑。例如，在建筑物的中上層位置布置較大的質量塊，上海中心大廈就采用了這種設計方案。另一種是在大樓的支撐柱上設計交叉斜撐。

3 結語

我國的建筑物抗震設計理念充分體現(xiàn)出防災減災的基本思想，強調在大震中不可出現(xiàn)倒塌，以免造成較大的人員傷亡。實現(xiàn)建筑抗震設計理念離不開各項抗震技術。現(xiàn)階段面臨的問題是建筑物的場地、地基和基礎，場地選擇要規(guī)避危險和不良地段，地基避免不良地質條件，基礎方面推薦人工建造的剛性基礎。消震隔震技術是當前較為先進的抗震設計，隔震裝置在保護建筑安全性基礎上，消震裝置可以降低地震的能量。延性結構、多重設防也是優(yōu)秀的抗震技術措施。