建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)探討

摘要：我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的地區(qū)，近年來的一些大小地震給我們帶來的災(zāi)難是有目共睹的，地震給我們帶來的各方面的損失是不可估量的，而大量調(diào)查表明，地震之所以能夠引起重大災(zāi)害，其主要原因是建筑物的倒塌和破壞所帶來的一系列不良后果。由于地震的不確定性和隨機(jī)性，抗震設(shè)計(jì)成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的的首要考慮因素，我們也希望能夠通過提高建筑物的抗震功能以達(dá)到減少地震所造成的損失的目的。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 建筑結(jié)構(gòu)中抗震設(shè)計(jì)的基本情況

眾所周知，地震的發(fā)生具有很大的不確定性，即使是再精確的測(cè)量?jī)x器，也難以做到萬無一失。而建筑物作為一個(gè)龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)在地震中將會(huì)發(fā)生諸多復(fù)雜的變化。因此，建筑結(jié)構(gòu)中的抗震設(shè)計(jì)不能完全依賴于“計(jì)劃設(shè)計(jì)”，而需要我們結(jié)合建筑工程抗震理論和工程抗震的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從“概念設(shè)計(jì)”的角度來看待建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震能力及反應(yīng)，抗震設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際，按照建筑結(jié)構(gòu)的破壞過程靈活的運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)方法，不僅要考慮到建筑結(jié)構(gòu)整體布局的原則，也要考慮到每個(gè)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，從而以期從根本上提高建筑的抗震能力。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)劃設(shè)計(jì)是依據(jù)計(jì)算理論和規(guī)范，對(duì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型和受力情況做出理論假設(shè)，以此進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而地震的不確定性、隨機(jī)性、地震時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)本身各種性質(zhì)的復(fù)雜性，使得我們很難對(duì)相關(guān)的理論數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的假設(shè)。所以，僅依靠計(jì)劃設(shè)計(jì)難以使結(jié)構(gòu)具有較高的抗震能力。只有在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上輔以必要的計(jì)算，才能使結(jié)構(gòu)具有較高的抗震能力。而抗震概念設(shè)計(jì)，是以地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)形成的設(shè)計(jì)原則思想為依據(jù)，從整體角度來考慮建筑的細(xì)節(jié)布置，以實(shí)現(xiàn)較高的抗震效果。

2 地震荷載及其計(jì)算方法簡(jiǎn)述

地震釋放的能量，是以地震波的形式向四周擴(kuò)散的；地震波到達(dá)地面后引起地面運(yùn)動(dòng)，使地面上原來處于靜止的建筑物收到動(dòng)力作用而產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。在振動(dòng)過程中，作用在結(jié)構(gòu)上的慣性力就是地震荷載。這樣，地震荷載可以理解為一種能反映地震影響的等效荷載。在地震荷載和一般荷載共同作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力或變形超過容許數(shù)值時(shí)，建筑物就遭到破壞乃至倒塌。因此，在結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算中，確定地震荷載是一個(gè)十分重要的問題。地震荷載與一般荷載不同，它不僅取決于地震烈度的大小，而且與建筑物的動(dòng)力特性（結(jié)構(gòu)的自振周期、阻尼）有密切關(guān)系。一般荷載則與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性無關(guān)，可以獨(dú)立確定。在我國(guó)和其它許多國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，都采用反應(yīng)譜理論來確定地震荷載。這種計(jì)算理論的依據(jù)，是對(duì)地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的實(shí)測(cè)紀(jì)錄進(jìn)行計(jì)算分析繪出的加速度反應(yīng)譜曲線，就是單質(zhì)點(diǎn)彈性體系在一定地震作用下，最大反應(yīng)加速度與體系自振周期的函數(shù)曲線。如果已知體系的自振周期，利用加速度反應(yīng)譜曲線或相應(yīng)公式就可以很方便地確定體系的反應(yīng)加速度，進(jìn)而求出地震荷載。應(yīng)用反應(yīng)譜理論不僅可以解決單質(zhì)點(diǎn)體系的地震反應(yīng)計(jì)算問題，而且在一定假設(shè)條件下，通過振型組合的方法，還可以計(jì)算多質(zhì)點(diǎn)體系的地震反應(yīng)。

3 抗震概念設(shè)計(jì)的原則及實(shí)現(xiàn)

在抗震概念設(shè)計(jì)中，選擇有利的抗震地形是至關(guān)重要的。建筑物之所以會(huì)在地震中損毀，存在很多原因，主要有以下幾點(diǎn)：首先，地震時(shí)地殼發(fā)生劇烈的運(yùn)動(dòng)，建筑物因震動(dòng)而發(fā)生變形、扭曲，造成破壞；其二是由于地震所引發(fā)的其他自然災(zāi)害，如泥石流、海嘯、水壩坍塌等；第三點(diǎn)則是因?yàn)榈孛姘l(fā)生嚴(yán)重變形，建筑物失去支撐而倒塌。因此，要提高建筑物的抗震性能，需綜合以上三點(diǎn)，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。對(duì)于第一種情況而言，可以通過工程技術(shù)手段加以防范，而后兩種難以依賴技術(shù)手段來達(dá)到預(yù)防目標(biāo)，需要通過選擇對(duì)抗震有利的地形來加以預(yù)防。確定對(duì)抗震有利的地段需對(duì)地形、地質(zhì)等狀況進(jìn)行詳細(xì)的勘察對(duì)比，做出綜合評(píng)價(jià)，選擇密實(shí)均勻的堅(jiān)硬土地段，避開對(duì)抗震不利的軟弱土以及河岸和邊坡邊緣的地段。

地形確定后，合理的地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是不可或缺的。地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)依據(jù)工程地質(zhì)狀況、工程主體部分的結(jié)構(gòu)類型和地基的負(fù)載分布等諸多因素進(jìn)行綜合分析，最大限度地使地基在抗震中起到作用。因此，必須把握同一結(jié)構(gòu)單元應(yīng)設(shè)計(jì)在性質(zhì)相同或相近的地基上的原則。具體而言包含以下幾方面內(nèi)容：同一結(jié)構(gòu)單元的地基理應(yīng)在性質(zhì)上有所相同，而不應(yīng)截然不同，地基和基礎(chǔ)埋入地下的深度要相同，地下室也要包含在整個(gè)結(jié)構(gòu)單元中，以確保地基和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)整體性，從而達(dá)到抗震效果的最優(yōu)。

合理匹配建筑結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和延性。大量的調(diào)查研究表明建筑結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)對(duì)地震的反應(yīng)強(qiáng)弱以及破壞程度，與結(jié)構(gòu)整體的剛度和構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的承載力和構(gòu)造密切相關(guān)。一般來說，結(jié)構(gòu)的鋼度越大，則它的延性就越低。而結(jié)構(gòu)在地震時(shí)又需要很高的延性來消耗地震所產(chǎn)生的能量，但如果結(jié)構(gòu)的延性太強(qiáng)，則結(jié)構(gòu)的剛度不足，瞬間來襲的破壞力雖然能夠很好地被消耗，但結(jié)構(gòu)也會(huì)因?yàn)樽冃味荒茉倮^續(xù)使用。因此，確定了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還要使得結(jié)構(gòu)剛度、承載力和延性之間達(dá)到比較好的匹配關(guān)系。而在抗震建筑設(shè)計(jì)中，三者的匹配有一個(gè)總的要求，即重要構(gòu)件的延性要高于結(jié)構(gòu)整體的延性，構(gòu)件中關(guān)鍵部位的延性要高于整個(gè)構(gòu)件的延性。要使建筑具有較好的抗震能力，比較理想的狀況是在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的剛度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件及構(gòu)件的所有部件都具有較高的延性，然而工程卻難以達(dá)到這種理想狀態(tài)，因此我們可以選擇結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件和某些構(gòu)件中的關(guān)鍵部位，來提高他們的延性，已達(dá)到我們預(yù)期的效果。

4 建筑的體型設(shè)計(jì)及平面布置設(shè)計(jì)

建筑的體型設(shè)計(jì)包括建筑的平面形狀和主體空間形狀的設(shè)計(jì)。不少震后調(diào)查表明，許多平面結(jié)構(gòu)和體型復(fù)雜的建筑，如平面上外凸和內(nèi)凹、側(cè)面有過多的伸懸、不對(duì)稱的側(cè)翼布置等在地震中都遭到了不同程度的的破壞。而平面結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的規(guī)則的建筑在地震中未出現(xiàn)較重的損壞，有的甚至依然保持完整。經(jīng)研究表明，形狀上復(fù)雜和不規(guī)則建筑在地震時(shí)更容易遭到震害和破壞，特別是在建筑結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變的部位更易發(fā)生損壞。因此在結(jié)構(gòu)體型的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地使平面和空間的形狀簡(jiǎn)潔規(guī)則；在平面形狀上而言，矩形、圓形、扇形、方形等形狀對(duì)抗震來說都是較好的體型。反之，應(yīng)盡可能少使用外凸或內(nèi)凹的體型。在體型布置上則應(yīng)盡可能使建筑的質(zhì)量和剛度比較均勻的分布，避免產(chǎn)生因體型不對(duì)稱而導(dǎo)致的質(zhì)量和剛度不對(duì)稱的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

建筑物的平面布置在建筑設(shè)計(jì)中也是十分重要的部分，它直接反映了建筑的使用功能和要求。建筑物的內(nèi)部各種明細(xì)都在建筑的平面設(shè)計(jì)圖上明確下來，如柱子的距離、內(nèi)墻的布置、房間的數(shù)量和布置等。由于建筑功能的不同，形成了建筑物沿高度分布的質(zhì)量和剛度的嚴(yán)重不均勻、不協(xié)調(diào)。因此，這是對(duì)抗震效果的一大挑戰(zhàn)。。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)建筑平面布置時(shí)，應(yīng)盡可能使剪力墻布置比較均勻并使其能沿豎向貫通到建筑物底部，不宜中斷或不到底。盡量避免其某樓層剛度過少，盡量避免產(chǎn)生地震時(shí)的鈕轉(zhuǎn)效應(yīng)。

5 結(jié)語

由于地震的發(fā)生具有高度的不確定性和隨機(jī)性，因此，為減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，建筑的抗震設(shè)計(jì)已成為建筑設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。為此，我們應(yīng)該充分重視建筑的抗震設(shè)計(jì)，更應(yīng)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，最大限度的減少建筑在地震時(shí)的損壞，最大限度的減少地震所帶來的損失。

參考文獻(xiàn)：

[1]薄睛心.淺議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，22：229.

作者簡(jiǎn)介：王永，身份證號(hào)碼：410728198310036031