抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用分析

高正賢

地震是自然界的一種破壞性力量，給人類造成巨大的生命傷害和財產(chǎn)損失。為了提高建筑物抵御地震的能力，抗震設(shè)計研究應(yīng)運而生，其主要是通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，減少地震對建筑物的破壞程度，保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全。基于此，本文將探討抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用，先介紹抗震設(shè)計的基本原理，分析常見的抗震設(shè)計方法和技術(shù)，然后結(jié)合抗震設(shè)計的實踐案例，了解不同抗震設(shè)計方法在實際工程中的運用效果，并探討其優(yōu)缺點。

1 房屋建筑抗震設(shè)計分析

房屋建筑抗震設(shè)計是在地震區(qū)域中確保建筑物安全的重要環(huán)節(jié)。為了提高房屋的抗震能力，設(shè)計師需要遵循簡化性、抵抗性、整體性3 個原則：

1）簡化性是指在設(shè)計過程中盡量減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以簡約的形式實現(xiàn)抗震能力。簡化結(jié)構(gòu)能減少不必要的節(jié)點和連接，降低材料使用量，并提高施工效率。同時，簡化性設(shè)計還可以減少結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，減小地震作用對結(jié)構(gòu)的影響。因此，在進(jìn)行房屋抗震設(shè)計時，設(shè)計師應(yīng)考慮使用簡單而有效的結(jié)構(gòu)形式，如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)。

2）抵抗性是指房屋結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，能抵抗地震作用。在抗震設(shè)計中，設(shè)計師要根據(jù)地震區(qū)域的地質(zhì)條件和地震活動水平，合理選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和材料。例如，使用高強(qiáng)度的混凝土或鋼材料，能增加結(jié)構(gòu)的抗震能力；還要考慮結(jié)構(gòu)的荷載分配和變形控制，確保房屋在地震中能承受住外力的作用。

3）整體性是指房屋結(jié)構(gòu)各部分間的協(xié)調(diào)，從而增強(qiáng)整體抗震能力。在抗震設(shè)計中，設(shè)計師需要考慮各個構(gòu)件間的連接方式和布置位置，確保整個結(jié)構(gòu)能形成穩(wěn)定的整體。除此之外，應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)的水平抗震性能和垂直抗震性能以及地震引起的水平位移和垂直位移對結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)計師通過合理布置支撐構(gòu)件，提高了整體抗震能力。地震烈度及對應(yīng)的基本地震加速度值，如表1 所示。其中，g 取值9.8 m/s2。

表1 地震烈度及對應(yīng)的基本地震加速度值統(tǒng)計表

2 抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 工程概述

以某房屋建筑工程為主要研究對象，將建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防等級設(shè)定為8 度，結(jié)合抗震要求進(jìn)行抗震設(shè)防。整棟房屋共7 層，采用混凝土現(xiàn)澆方式施工，其中1 層為車庫，2 層為辦公區(qū)，主要采用砌筑結(jié)構(gòu)。從項目總體上分析，該房屋建筑工程總面積731.5 m2，縱向長度19.00 m，橫向建筑面積5.50 m2。由于該項目房屋縱向南側(cè)沒有圍墻，抗震性能難以達(dá)標(biāo)。提出2 種抗震優(yōu)化設(shè)計方案，以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計要點

2.2.1 設(shè)計前期的震害調(diào)查

近年來，地震頻發(fā)成為世界各地不可忽視的自然災(zāi)害，在地震中房屋結(jié)構(gòu)承受著巨大的力量沖擊。因此，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計前，工作人員要進(jìn)行一次全面的震害調(diào)查，其主要目的是評估地震對房屋結(jié)構(gòu)的潛在影響，有利于設(shè)計師制訂出合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，進(jìn)一步增強(qiáng)房屋的抗震能力。調(diào)查人員會收集歷史地震數(shù)據(jù)，包括震級、震源深度、震中距離等信息，幫助其確定該地區(qū)的地震活動水平，從而評估房屋所面臨的地震風(fēng)險。接下來，調(diào)查人員會實地檢查現(xiàn)有的房屋結(jié)構(gòu)，尋找可能存在的結(jié)構(gòu)缺陷，觀察墻體、柱子、梁、地基等結(jié)構(gòu)組件的狀況，并進(jìn)行必要的測試。通過上述調(diào)查，確定哪些部分需要進(jìn)行加固，從而提高房屋的抗震性能[1]。

經(jīng)專業(yè)人員勘察，本文中7 層房屋采用混凝土作為墻體的建筑材料，在縱向一側(cè)設(shè)置輕體墻，在形成完整梁柱結(jié)構(gòu)的5 層砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置車庫和底商。然而，由于這種結(jié)構(gòu)的中柱截面較低，其對應(yīng)的墻面為磚砌體墻。除第1 層外，從第2 層開始工作人員全部應(yīng)用傳統(tǒng)砌體施工方法，得到磚砌體墻。從建筑結(jié)構(gòu)布局上分析，這類建筑的上層建筑與下層建筑的墻體之間是有差異的，呈非連續(xù)性的特征，沿豎向的一面向墻體傾斜。當(dāng)出現(xiàn)地震問題時，僅有部分房屋未倒塌，其他房屋均出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，給居民日常生活帶來不同程度的影響。

2.2.2 制訂設(shè)計方案

地震是一種破壞性極大的自然災(zāi)害，對于房屋結(jié)構(gòu)來說，具有嚴(yán)重的威脅。因此，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須充分考慮抗震能力，制訂相應(yīng)的設(shè)計方案，以確保房屋在地震中能夠保持穩(wěn)定。不同的結(jié)構(gòu)形式在抗震能力上有差異，在選擇結(jié)構(gòu)形式時應(yīng)根據(jù)地區(qū)的地震活動性、土壤條件等因素進(jìn)行綜合評估。常見結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)等。對于高地震活動性地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇剪力墻結(jié)構(gòu)或框剪結(jié)構(gòu)，從而增加房屋的抗震能力。同時，抗震材料是確保房屋結(jié)構(gòu)具備良好抗震性能的關(guān)鍵。在材料選擇上，要優(yōu)先考慮具有較高抗震性能的材料，如高強(qiáng)度鋼筋、高強(qiáng)度混凝土等。還要注意材料的可靠性，選取合適的抗震材料，能有效提升房屋的整體抗震能力。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)合理性對于提升抗震能力非常重要。在設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)節(jié)點和連接部位的抗震性能，使用適當(dāng)?shù)倪B接方式，以增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。且要考慮房屋的儲備能力，即在地震發(fā)生的時候，結(jié)構(gòu)是否具備較強(qiáng)的變形能力，從而緩沖地震對房屋的沖擊。對于1 層為車庫和底商的房屋建筑，工作人員通常利用增強(qiáng)橫墻承重的方式，提高建筑自身的穩(wěn)定性，而忽略處理縱向抗側(cè)力構(gòu)件，無形中降低了建筑整體的抗震性能。本文從剛度控制和技術(shù)層面著手，有效地解決上述問題。也就是說，將該類型房屋作為多層砌筑房屋，提出基于剛度控制層面的設(shè)計和技術(shù)層面的設(shè)計，切實優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)[2]。

1）基于剛度控制層面的設(shè)計。工作人員要以增強(qiáng)建筑物墻體抗震性能為重點，嚴(yán)格按照建筑物抗震性能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以底層框架結(jié)構(gòu)抗震墻為主體，科學(xué)設(shè)置豎向剛度比，提高軸線縱向剛度。結(jié)合震害調(diào)查資料可知，底框結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，若在建筑抗震等級上應(yīng)用復(fù)合材料建立混合結(jié)構(gòu)，建筑抗震等級提高難度較大[3]。為了改善該環(huán)節(jié)的抗震性能，本文采用剛度比計算公式，科學(xué)分析建筑抗震墻的剛度比：

式（1）中：K1為房屋建筑底層剛度；K2為房屋建筑2 層剛度；∑Kω為混凝土抗震墻側(cè)向剛度；∑Kf為位于底層的框架側(cè)向剛度；∑Kbω為處于底層的抗震墻側(cè)向剛度。

工作人員通過以上工作的應(yīng)用，對不同環(huán)節(jié)的指標(biāo)剛度進(jìn)行了測算，剛度標(biāo)準(zhǔn)得到了有效的規(guī)范：第1，對底層防震墻進(jìn)行剛性控制。以抗震階段抗震墻彎曲變形為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對剪切形變效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)判斷，對剛度控制限值進(jìn)行精確計算，從而得出剛度控制標(biāo)準(zhǔn)的不同情況。第2，控制底框剛性。工作人員以彎曲變形剛度為唯一判斷標(biāo)準(zhǔn)，假定框架梁剛性指標(biāo)要求，對建筑物的抗震性能要求進(jìn)行事先摸底，對框架柱剛度范圍進(jìn)行合理控制。第3，控制砌體抗震墻剛度。在研究該性能標(biāo)準(zhǔn)時，工作人員要推斷出墻體寬度和高度比例，如果兩者比例＜1，要采用剪切為標(biāo)準(zhǔn)，避免墻體出現(xiàn)變形問題，合理控制剛度數(shù)值；當(dāng)數(shù)值在1 ～4 時，工作人員需要在剪切形變基礎(chǔ)上設(shè)置彎曲指標(biāo)，合理控制剛度控制范圍；如果數(shù)值遠(yuǎn)超4，要應(yīng)用等效處理法，控制側(cè)向剛度是指為0[4]。

2）基于技術(shù)層面設(shè)計。縱向抗震結(jié)構(gòu)處理的建議是考慮到房屋建筑縱向抗震性能較弱而提出的，具體如下：第1，無論是車庫還是底商，在滿足抗震墻砌體設(shè)計要求、科學(xué)設(shè)置1 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、縱向增加抗震量、確保上墻框架與下墻框架相互對齊、全面檢查符合行業(yè)的梁柱位置、嚴(yán)格按照建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計等方面，都要注意處理好1 層建筑的通行門軸線。合理控制建筑2 層側(cè)向剛度和沿著軸線位置的1層框架結(jié)構(gòu)剛度比例。第2，嚴(yán)格遵循均勻布設(shè)的原則，從現(xiàn)有的錯落有致排列到均勻分布，兩側(cè)按照軸線對稱排列，對1 層建筑的軸線混凝土抗震墻進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化[5]。如果1 層樓屬于單開門型，則應(yīng)該以側(cè)向剛度作為調(diào)節(jié)物體，合理設(shè)置1層的側(cè)向剛度系統(tǒng)，這樣才能在地震發(fā)生階段有效地防止扭轉(zhuǎn)作用的發(fā)生。第3，將外縱墻底層混凝土構(gòu)件為優(yōu)化對象，和橫向墻體相互連接，建立完整的建筑結(jié)構(gòu)，合理優(yōu)化抗震墻體和梁柱框架[6]。

2.2.3 建筑基礎(chǔ)選型

建筑基礎(chǔ)選型有如下幾點：第1，選擇合適的地基類型。地基是建筑物與地面之間的結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著建筑物自身重量以及地震力的傳遞。根據(jù)地基的穩(wěn)定性和承載能力，分為巖石地基、砂土地基、軟土地基等類型。巖石地基具有較好的穩(wěn)定性和承載能力，適合用于高層建筑和大型工程；砂土地基的穩(wěn)定性較差，但承載能力較高，適合用于多層建筑；軟土地基的穩(wěn)定性最差，承載能力較低，需要采取特殊的處理措施[7]。因此，在選擇地基類型時，需考慮地質(zhì)條件、建筑物類型和地震烈度等因素，確保地基能滿足建筑物的需求。第2，設(shè)計合理的基礎(chǔ)形式。基礎(chǔ)形式包括淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)兩種類型。淺基礎(chǔ)適用于土層較為堅實且承載能力較高的地區(qū)，筏板基礎(chǔ)、擴(kuò)展基礎(chǔ)等；深基礎(chǔ)適用于土層較松軟或承載能力較低的地區(qū)，如樁基、鋼筋混凝土樁等。選擇合適的基礎(chǔ)形式需要考慮地質(zhì)條件、建筑物荷載和地震力等因素，確保基礎(chǔ)能夠有效地承擔(dān)地震作用，并將地震力傳遞到地下穩(wěn)定層。第3，采用適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)抗震措施。基礎(chǔ)抗震措施是指在設(shè)計和施工過程中采取的一系列措施，以提高基礎(chǔ)的抗震性能。例如，通過增加基礎(chǔ)的尺寸、加固基礎(chǔ)連接部位、采用抗震支撐等方式來增加基礎(chǔ)的剛度和強(qiáng)度。此外，還可采用局部加固、懸挑效應(yīng)、剪力墻等措施來進(jìn)一步提高基礎(chǔ)的抗震性能。通過合理的基礎(chǔ)抗震措施，有效減小地震作用對建筑物的破壞[8]。

2.3 房屋建筑抗震設(shè)計

2.3.1 平面設(shè)計

本工程1 層樓建筑為3.3 m，其他樓層建筑高度為3.0 m，內(nèi)外墻厚度分別為240 mm、260 mm，柱截面尺寸控制為480 mm×360 mm。

在2 ～7 層建筑平面設(shè)計過程中，全部應(yīng)用普通砌體墻設(shè)置，對齊縱向框架結(jié)構(gòu)，外部設(shè)置陽臺，除了高度存在差異外，其他參數(shù)尺寸和1 層平面設(shè)計的數(shù)據(jù)基本相同。

2.3.2 加固設(shè)計

為了增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，提出2 種加固設(shè)計方案。在第1 種加固設(shè)計方案中，在建筑兩端開間位置提高墻體厚度，有效優(yōu)化抗震性能。其中，混凝土墻體厚度在原有基礎(chǔ)上提升到500 mm。同時，在墻體位置開孔，優(yōu)化庫房施工流程，但這種方案要減少車庫數(shù)量，但能提升車庫使用的舒適性，進(jìn)一步拓展入門空間。在第2 種方案中，其在既有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加混凝土翼墻厚度，將厚度增加到300 mm[9]。這種加固方案雖然不會降低車庫數(shù)量，但入門空間較少，無形中降低其使用舒適度（圖1）。

圖1 剪力墻抗震設(shè)計（來源：網(wǎng)絡(luò)）

2.4 抗震性能測試

通過分析上述2 種加固方案，進(jìn)一步分析計算內(nèi)容，判斷剛度比是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如果剛度比為1.0 ～1.5，則判斷剛度比能達(dá)到為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（表2）。通過分析上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種加固方案的剛度完全滿足1.0 ～1.5 標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員要按照建筑實際使用標(biāo)準(zhǔn)，采用一種合理的加固方案[10]。

表2 不同加固方案的剛度比計算結(jié)果統(tǒng)計表

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代社會不斷發(fā)展，抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用研究越來越受重視。經(jīng)過對相關(guān)文獻(xiàn)和實踐案例的綜合分析，得出結(jié)論：

1）抗震設(shè)計是確保建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時能安全承受地震力的關(guān)鍵。通過采用合理的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、施工技術(shù)，有效提高建筑物的抗震性能。研究表明，強(qiáng)震區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循一定的抗震設(shè)計準(zhǔn)則，包括考慮地震荷載大小、確定合適的結(jié)構(gòu)型式、加固結(jié)構(gòu)節(jié)點、連接件等。

2）抗震設(shè)計不僅是為了確保建筑物的人員安全，還可減少地震災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)的影響。通過合理的抗震設(shè)計，降低地震造成的損失，提高建筑物的恢復(fù)能力，減少業(yè)主和社會的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)中的運用是非常必要的。

3）抗震設(shè)計要綜合考慮多個因素，除了地震力的大小之外，還要考慮建筑物的功能、使用壽命、基礎(chǔ)條件等多方面的因素。例如，在設(shè)計過程中，要考慮地震波的特點、結(jié)構(gòu)的柔度和剛度等因素，并根據(jù)具體情況進(jìn)行合理的調(diào)整。