試論建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題

楊元

摘要：我國是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一，因此，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能顯得尤為重要。隨著綜合國力的增強(qiáng)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計整體工作取得了很大的進(jìn)展，但為了滿足抗震的需求仍需進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。本文將對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理論發(fā)展和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述，同時針對我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的若干問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；改進(jìn)方法

近些年來，我國部分地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的地震，造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，地震已經(jīng)成為威脅我國人民生命財產(chǎn)安全的主要自然地質(zhì)災(zāi)害之一。地震的破壞性極大，可以在極短的時間內(nèi)摧毀抗震力較弱的建筑，目前的科學(xué)技術(shù)水平下很難準(zhǔn)確地預(yù)測其發(fā)生時間和地點(diǎn)，我們只能不斷提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計可以有效地控制地震的破壞性，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理論發(fā)展

1.1 靜力理論階段

靜力理論是指估計地震力時，不考慮地震的動力特性，也不考慮結(jié)構(gòu)的動力特性。其基本假定是：建筑結(jié)構(gòu)為剛性；地震力水平作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的質(zhì)量中心上；地震力的大小相當(dāng)于建筑結(jié)構(gòu)的重量乘一個比例系數(shù)k，即把建筑結(jié)構(gòu)看為一個彈性結(jié)構(gòu)物，地震對建筑結(jié)構(gòu)的作用看為一個建筑物質(zhì)量K倍的水平作用的靜力。

1.2 動力理論階段

靜力理論具有一定的歷史局限性，隨著理論研究的深入，逐漸進(jìn)入了動力理論階段。動力理論是指考慮到地面運(yùn)動加速度和結(jié)構(gòu)動力特性而得到的地震力計算理論，包括反應(yīng)譜理論和地震反應(yīng)時程分析理論。反應(yīng)譜理論認(rèn)為系數(shù)K不僅會受到地震力的影響，還會受到結(jié)構(gòu)動力特性的影響，地震力包含的振動成分的頻率不同，因此需要一種譜圖來反映其作用特點(diǎn)。反應(yīng)譜理論應(yīng)用最為廣泛，我國的抗震設(shè)計規(guī)范中，常采用反應(yīng)譜理論來確定地震作用，常用的方法主要有兩種，即基于地震反應(yīng)譜的底部剪力法和振型分解法。

2 我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

我國現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)抗震標(biāo)準(zhǔn)主要還存在以下一些問題：其一，理論闡述和抗震設(shè)計方法有待進(jìn)一步完善；其二，可靠度設(shè)計方法的適用性有待進(jìn)一步商榷；其三，地震作用-延性等級組合有待進(jìn)一步改進(jìn)；其四，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步調(diào)整；其五，風(fēng)荷載效應(yīng)的適用性有待進(jìn)一步分析。

3 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題分析和建議

3.1 可靠度設(shè)計方法的適用性分析

地震是破壞性極大但發(fā)生概率相對較小的一種地質(zhì)災(zāi)害，準(zhǔn)確把握其規(guī)律和特點(diǎn)極為困難，因此，可靠度設(shè)計方法并不完全適用于建筑結(jié)構(gòu)地震設(shè)計。一方面，地震發(fā)生的絕對次數(shù)相對較少，在同一地區(qū)、同一環(huán)境下發(fā)生的次數(shù)更少，因此，無法采用統(tǒng)計學(xué)原理很好地模擬和分析其規(guī)律和特點(diǎn)，可靠度設(shè)計方法失去了最基本的理論依據(jù)；另一方面，地震理論雖然有了長足的發(fā)展，但人類并沒有完全掌握其規(guī)律，難以預(yù)測其發(fā)生時間和地點(diǎn)，地震存在很多不確定性因素，因此，抗震設(shè)計理論的實(shí)測檢驗(yàn)很難在短期內(nèi)高效完成，可靠度設(shè)計方法存在一定的局限性。因此，有專家對可靠度設(shè)計方法提出質(zhì)疑并指出：在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，多安全系數(shù)的設(shè)計方法比可靠度設(shè)計方法的適用性更強(qiáng)。

3.2 地震作用-延性等級組合分析

地震是一個極其復(fù)雜的地質(zhì)活動，存在很多不確定性因素，因此在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中常常需要借助于建筑工程學(xué)理論來進(jìn)行判斷。實(shí)踐證明，將建筑工程學(xué)理論應(yīng)用于地震設(shè)計取得了很好的實(shí)際效果。R-μ-T關(guān)系是基本理論之一，R-μ-T關(guān)系指出在滿足一定的剛度需求的前提下，延性好的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減弱地震作用。將R-μ-T關(guān)系應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)地震設(shè)計，根據(jù)不同的延性要求提出對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，我國的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在一定的問題，對不同的結(jié)構(gòu)體系和設(shè)防烈度都采用了相同的折減系數(shù)，沒有充分考慮到R-μ-T關(guān)系的指導(dǎo)作用。為了使抗震設(shè)計更加經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整抗震設(shè)計中的地震作用-延性等級組合。一方面應(yīng)該適當(dāng)提高高烈度結(jié)構(gòu)區(qū)的延性要求，使之可以適當(dāng)減弱地震作用；另一方面低烈度結(jié)構(gòu)區(qū)的地震作用應(yīng)折減小些，可以適當(dāng)降低延性要求。

3.3 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國現(xiàn)存建筑的主要結(jié)構(gòu)框架之一，因此，進(jìn)一步研究和分析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)對地震設(shè)計的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。以往的地震災(zāi)害研究表明：地震對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞相對其他部位較為嚴(yán)重，因此在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時應(yīng)該按照 "強(qiáng)柱弱粱"、"強(qiáng)節(jié)點(diǎn)"、"強(qiáng)底層柱底"等延性設(shè)計原則。

"擬弱柱化法"是計算鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)樓層受剪承載力的一個有效方法，不僅計算簡便，而且誤差很小，可以滿足工程抗震設(shè)計的精度要求。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋用量對鋼筋混凝土框架建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級影響很大，一般而言，抗震等級隨著鋼筋用量的減少而降低。但抗震等級隨鋼筋用量的變化率相差較大，說明不同抗震等級的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)有待進(jìn)一步研究。通過進(jìn)一步研究不同抗震等級的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，可以在經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則下合理使用鋼筋用量，達(dá)到更好的抗震效果。

3.4 風(fēng)荷載效應(yīng)的適用性分析

各種荷載可能會同時出現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)中，但出現(xiàn)的概率不同，按照概率統(tǒng)計理論和可靠度理論把各種荷載效應(yīng)按一定規(guī)律加以組合，就是荷載效應(yīng)組合。所謂風(fēng)荷載效應(yīng)，是指在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力改變或位移。目前，我國現(xiàn)行的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在進(jìn)行抗震設(shè)計荷載效應(yīng)組合時應(yīng)考慮風(fēng)荷載效應(yīng)，即應(yīng)該直接將風(fēng)荷載效應(yīng)參與荷載效應(yīng)組合。

但是，風(fēng)荷載效應(yīng)的適用性有待進(jìn)一步商榷，一方面，同時遭遇特大地震和特大強(qiáng)風(fēng)襲擊的概率非常小，接近為零；另一方面，建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計和抗震設(shè)計原則有較大區(qū)別。因此，應(yīng)該采用多安全系數(shù)的設(shè)計方法，對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行對比，取其包絡(luò)。

3.5 建筑物防震縫寬度確定方法的分析

一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量調(diào)整其平面形狀和尺寸，減少復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的存在，盡可能不設(shè)置防震縫。但是在以下幾種情況中應(yīng)該設(shè)置防震縫：其一，建筑結(jié)構(gòu)地基不均勻，各部分之間的沉降差較大；其二，房屋面積較大，存在較多復(fù)雜結(jié)構(gòu)；其三，建筑物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部分的剛度相差很大。

在需要設(shè)置防震縫的情況下，防震縫最小寬度需要經(jīng)過精確的計算。目前，我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中共有表格法、圖標(biāo)法、公式法等三種方法，三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，公式法相對較為簡便、科學(xué)，直接帶入數(shù)據(jù)可以快速求得最小防震縫寬度，相對較為適合在建筑工程設(shè)計中應(yīng)用，但仍有一定的局限性。

地震是破壞性極大、不可控因素極多的主要自然災(zāi)害之一，對人類生命財產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。有效減弱地震的破壞力，一方面需要地震學(xué)理論研究的不斷進(jìn)步，另一方面需要不斷提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究是一個重要的研究課題，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們要逐漸把新的研究成果融入抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，提高建筑物的抗震性能，使之更好地抵御地震等自然災(zāi)害。

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