抗震設(shè)計(jì)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（浙江工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江省杭州市，310000） 林王成 朱 威

在房屋建筑的設(shè)計(jì)中，不僅要滿足人們對(duì)于現(xiàn)代化建筑的美觀及使用需求，同時(shí)也要保證建筑的安全及耐久性。因此，抗震性能已成為目前房屋建筑的必備特性之一。抗震設(shè)計(jì)是當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方向。具有良好抗震性能的建筑可以有效降低地震對(duì)建筑的影響，在地震發(fā)生時(shí)保護(hù)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，所以，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)就顯得非常重要。

1 抗震設(shè)計(jì)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要作用分析

當(dāng)今時(shí)期，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速提高和建筑業(yè)日益發(fā)達(dá)的歷史背景下，中國(guó)的住宅建筑規(guī)模也呈現(xiàn)逐漸擴(kuò)大態(tài)勢(shì)，與此同時(shí)，住宅建筑的復(fù)雜程度和規(guī)模也在不斷增加，這導(dǎo)致人們對(duì)住宅建筑的各方面要求也愈來(lái)愈高，如結(jié)構(gòu)的抗震性能等。結(jié)構(gòu)的抗震特性主要是指在場(chǎng)地環(huán)境遭受地震的影響時(shí)，場(chǎng)地結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了相應(yīng)改變，由于延性較大的結(jié)構(gòu)抗震特性較好，故良好的結(jié)構(gòu)延性就可以產(chǎn)生很大的變形作用，讓塑性區(qū)能夠有效緩解地震帶來(lái)的余波，減小地震反應(yīng)。因此，抗震設(shè)計(jì)成為現(xiàn)代化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亟須解決的重要問(wèn)題[1]。

2 抗震設(shè)計(jì)在房屋建筑結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

2.1 對(duì)地震破壞的初步考察

根據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)的城市中，大多數(shù)的房子都是3 層磚石結(jié)構(gòu)，為的是給人們提供一個(gè)方便的生活環(huán)境，所以在1層中設(shè)置了底商停車位或車庫(kù)。在這兩棟樓中，大部分都是沒(méi)有墻壁的，所以選擇了混凝土作為墻壁的建造材料，用來(lái)建造梁柱。但是，這種新型建筑的柱子截面較小，其墻體為磚石砌體。除一樓外，自二樓往上數(shù)，其余各樓均為普通砌筑。從建筑結(jié)構(gòu)布局的角度來(lái)看，該類型房屋建筑的上層建筑與下層建筑墻體不齊，沿垂直方向的墻體具有不連續(xù)特征。在地震中，盡管有些房子沒(méi)有坍塌，但大多數(shù)房子都受到了一定的破壞，使人們?cè)诜孔永锊荒苷５鼗顒?dòng)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

在一層為底商停車位或車庫(kù)的房屋建筑中，通常會(huì)采用強(qiáng)化外墻承重的方式來(lái)提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而忽視了對(duì)縱向抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行有效的處理，從而造成了整個(gè)建筑的抗震能力較弱。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目擬將此類建筑物視為多層磚混結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上，從技術(shù)及剛度控制兩個(gè)方面，研究該類建筑物的抗震加固措施：①不管是底商停車位或地下，一樓過(guò)道門(mén)軸的處理都十分關(guān)鍵，根據(jù)抗震墻磚的設(shè)計(jì)要求，設(shè)置一樓過(guò)道門(mén)軸，并在道門(mén)軸上增設(shè)一樓隔墻，保證上下兩樓之間的框架對(duì)齊，同時(shí)對(duì)梁柱的對(duì)準(zhǔn)程度進(jìn)行檢驗(yàn)，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)二樓側(cè)移剛度與一樓框架的剛度之比進(jìn)行有效控制；②采取“均布”的方式，將一層樓的鋼筋砼地震墻由原來(lái)的非均布改為均布，并以此為參考物，左右對(duì)稱地設(shè)置鋼筋砼抗震墻。若一樓樓房是單門(mén)樓房，以橫向剛度為調(diào)節(jié)目標(biāo)，再布置一樓樓房的橫向剛度系統(tǒng)，以防止在地震時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)作用；③將外部縱向墻的底部混凝土構(gòu)件與水平墻進(jìn)行連接，形成更好的整體穩(wěn)定體系。在這兩種結(jié)構(gòu)形式中，主要以地震作用下的墻板、梁、柱結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)形式。為滿足抗震設(shè)防要求，在大地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”（如圖1 所示）的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 強(qiáng)柱弱梁

一種以剛性為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。墻體的軸心剛度是提高墻體抗震能力的關(guān)鍵，需根據(jù)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)方法，以底部框架內(nèi)的墻體為研究對(duì)象，強(qiáng)化墻體的豎向剛度比值的設(shè)定。通過(guò)對(duì)地震破壞情況的分析，可以看出，由于底層框架的構(gòu)造比較復(fù)雜，底層組合構(gòu)件對(duì)建筑物的抗震能力是不利的，對(duì)提高建筑物的地震能力是不利的。針對(duì)這一問(wèn)題，文中選擇了各層框柱做優(yōu)化，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，將各層框梁配筋的混凝土水平值輸入到結(jié)構(gòu)體系中，使結(jié)構(gòu)體系在整體優(yōu)化時(shí)保持不變。本文采用下列的剛性比計(jì)算式來(lái)計(jì)算和分析建筑物的防震墻的剛性比值[2]。

式中，1K為房屋建筑底層剛度；K2為房屋建筑2 層剛度；∑ωK為混凝土抗震墻側(cè)向剛度；∑Kωb為位于底層的抗震墻側(cè)向剛度。

利用計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)剛度，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)剛度控制規(guī)范：①基座抗震墻的剛度控制：以震后基座抗震墻所產(chǎn)生的屈曲變形為基礎(chǔ)，考慮基座的剪力變形，確定基座的剛度控制極限，并對(duì)基座的抗震性能進(jìn)行評(píng)估，保證基座在震后仍能保持結(jié)構(gòu)的整體性能；②基礎(chǔ)框架的剛度控制：基于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)需要，假設(shè)基礎(chǔ)框架的剛度有一定的約束條件，采用時(shí)程響應(yīng)分析法，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但需要按照形態(tài)評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性態(tài)；③磚混地震墻的剛度控制：要按照墻高與墻寬之比來(lái)控制這一性能指標(biāo)，在比小于1 時(shí)，應(yīng)以剪力為基礎(chǔ)，以防止變形，并設(shè)置其剛度的受控區(qū)域，確定其剛性受控范圍；在比大于4的情況下，按等價(jià)方法將結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移作為結(jié)構(gòu)的性態(tài)指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的性態(tài)分析；④砌筑砌體地震墻的剛性控制：這一段的剛性要求比較高，在墻的彈性側(cè)移剛度之外，還要加上框架的彈性側(cè)移剛度，二者的總和就是剛性控制的極限。在磚混建筑中，可接受的差異沉降為部分控制，而在框架及單層排架的基礎(chǔ)上，則是通過(guò)相鄰立柱基礎(chǔ)的差異沉降來(lái)控制，而在多層及高層建筑中，則是通過(guò)傾角的大小來(lái)控制。

3 抗震技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方案分析

3.1 對(duì)住宅建設(shè)選址的科學(xué)性

在選擇住房建設(shè)地點(diǎn)時(shí)，必須與開(kāi)發(fā)商進(jìn)行詳細(xì)的溝通，詳細(xì)地了解房子的戶型結(jié)構(gòu)，周圍的配套設(shè)施會(huì)不會(huì)影響房子的生活環(huán)境，會(huì)不會(huì)降低房子的價(jià)值。優(yōu)先選擇可控地區(qū)，減少地震作用的影響，對(duì)周邊地形、地貌特征進(jìn)行綜合研究，將其建設(shè)在平坦、開(kāi)放的區(qū)域，增加施工環(huán)境土壤的緊實(shí)度，提高其最大承載力，為房屋建筑的穩(wěn)定性和安全性打下良好的基礎(chǔ)[3]。

3.2 建立多道防震結(jié)構(gòu)

抗震防護(hù)在改善建筑物抗震性能、保護(hù)人們生命和財(cái)產(chǎn)的前提下，發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。為提高其抗震性能，可根據(jù)樓房具體類別、結(jié)構(gòu)類型、樓房高度等多種因素判定，建立防震結(jié)構(gòu)。

3.2.1 地震作用水平

通常情況下，不需要對(duì)房屋進(jìn)行區(qū)分，以其使用功能的重要性為依據(jù)，將建筑結(jié)構(gòu)分為甲、乙、丙、丁類4個(gè)抗震設(shè)防類別，一般住宅與辦公樓為丙類建筑。地震的強(qiáng)度是按里氏指數(shù)來(lái)劃分的，從1到8.9，房屋在1到3的時(shí)候不會(huì)受到任何傷害，在4到5 的時(shí)候會(huì)受到一些傷害，在5 以上的時(shí)候會(huì)對(duì)房屋造成傷害。

3.2.2 地震烈度

地震烈度是由有關(guān)部門(mén)依據(jù)地質(zhì)、地質(zhì)及歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)建筑物的調(diào)查與確認(rèn)，對(duì)建筑物的安全性、適用性及耐久性做出的一種評(píng)價(jià)。本文以國(guó)內(nèi)各大城市及區(qū)域?yàn)槔岢隽艘环N基于地域性的抗震設(shè)防及地震動(dòng)分類方法。它是一個(gè)重要的度量指標(biāo)，反映了中心城區(qū)的精確坐標(biāo)（以經(jīng)緯度表示），并以此作為衡量中心城區(qū)與周邊地區(qū)的坐標(biāo)關(guān)系的出發(fā)點(diǎn)。

3.3 改善住宅建筑物的抗震性能

為確保建筑物的地震安全，應(yīng)在設(shè)計(jì)中做好下列工作：①在房屋建造時(shí)，應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，選取具有高硬度和高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，以抵御外部環(huán)境的改變，防止基礎(chǔ)發(fā)生變形而造成的地震作用失效；②在建筑物的構(gòu)造中，必須以同一性質(zhì)的基礎(chǔ)為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)造，使建筑物的構(gòu)造中，能夠最大限度地利用基礎(chǔ)的潛能和功能，使建筑物的抗震性能得到最大程度地體現(xiàn)。

3.4 對(duì)建筑物的參量信息進(jìn)行正確的計(jì)算

3.4.1 磚混建筑地地震破壞原因

在地震作用下，磚混結(jié)構(gòu)的整體破壞程度和整體強(qiáng)度都是比較低的。在過(guò)去的幾次大地震中，由于沒(méi)有進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，磚混結(jié)構(gòu)房屋都受到了一定的損傷。由于年代久遠(yuǎn)，許多磚混結(jié)構(gòu)的平面布置、結(jié)構(gòu)形式及抗震構(gòu)造等均未達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，因而在地震發(fā)生時(shí)，磚混結(jié)構(gòu)的損傷最大，甚至發(fā)生大面積坍塌。對(duì)已有輕至中度破壞的房屋，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造的研究是十分必要的。

3.4.2 鋼架結(jié)構(gòu)的地震破壞分析

汶川大地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)都顯示出了較好的抗震能力，但其所引發(fā)的震后破壞問(wèn)題仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，為解決建筑物在空間上的不均勻性，在建筑物上設(shè)置了防震縫，抗震規(guī)范對(duì)地震裂縫的寬度有一定的要求，所以避震縫應(yīng)該以建筑物的高度和抗震設(shè)計(jì)烈度為依據(jù)來(lái)決定，它的最小寬度應(yīng)該滿足以下條件：①在高度不大于15m的時(shí)候，應(yīng)該以建筑的伸縮縫或沉降縫為反面分水線，或者是屋頂面積比較大的部位。可以選擇70mm；②在高度大于15m的時(shí)候，要根據(jù)不同的設(shè)防烈度來(lái)加大縫寬：在6度區(qū)域，建筑物每升高5m，縫寬就會(huì)加大20mm；同時(shí)，對(duì)于高層建筑，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，其抗震性能也有不同的要求。因此，為了保證房屋的抗震能力，不應(yīng)該為了追求房屋外形的美感，而建設(shè)外形復(fù)雜的建筑物。在抗震縫之間的填料，要選用不會(huì)影響抗震縫功能的彈性材料。

4 結(jié)語(yǔ)

提高住宅結(jié)構(gòu)的抗震能力，對(duì)保障人民的生活有重要意義。提高房屋的抗震能力，可以降低地震的震害，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本研究擬以現(xiàn)存老式磚混結(jié)構(gòu)建筑為研究對(duì)象，探討此類結(jié)構(gòu)的減震措施。在對(duì)房屋地震破壞現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)房屋的抗震加固進(jìn)行了研究。基于“小震不壞，中震可修，大震不倒”抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)建筑物的功能要求，選擇出最優(yōu)的抗震設(shè)計(jì)方案。可通過(guò)增加構(gòu)件截面，替換部分構(gòu)件，改變其使用性能，調(diào)整房屋荷載分布，提高構(gòu)件承載力，實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋的加固。