建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念略談

夏文龍

中鐵合肥建筑市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽合肥 230041

1 抗震設(shè)防目標(biāo)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)如下：首先，在發(fā)生常規(guī)地震，也就是低于本地區(qū)所規(guī)定的設(shè)防烈度時(shí)，建筑物不會(huì)受到損壞，也不用進(jìn)行維修還能繼續(xù)使用；其次，在遭受到和本地區(qū)所規(guī)定的設(shè)防烈度相同的地震時(shí)，建筑物可能會(huì)受到損壞，但是可以修理，而且不會(huì)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。最后，如果在遭受到罕見的大地震時(shí)，建筑物受到損壞，但是保證不會(huì)坍塌。所以建筑結(jié)構(gòu)的防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是出于設(shè)防烈度的考慮。

2 抗震結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置

2.1 選擇結(jié)構(gòu)材料

建筑抗震結(jié)構(gòu)材料關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，在材料選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)建筑方案設(shè)計(jì)來進(jìn)行，同時(shí)應(yīng)該研究確定建筑形式和建筑結(jié)構(gòu)體系。這樣最終確定的結(jié)構(gòu)類型才是既符合抗震要求又達(dá)到經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的，一般來說結(jié)構(gòu)類型需要考慮到建筑的設(shè)防烈度、房屋高度、地基、基礎(chǔ)、材料和施工、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等要素，而只從抗震角度來看，所選擇的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)：首先材料延性要好，其次強(qiáng)度要滿足抗震要求，勻質(zhì)性要好，另外，構(gòu)件連接較好，比較完整和連續(xù)。根據(jù)這些要求，按照抗震性能優(yōu)劣，常見建筑結(jié)構(gòu)類型中，鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越性較為突出，具有延性好、連接好、有可靠節(jié)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 確定抗震結(jié)構(gòu)體系

合適的抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：首先該結(jié)構(gòu)體系具有明確計(jì)算簡(jiǎn)圖和地震作用傳遞途徑；其次，能夠形成多道抗震防線，即使在構(gòu)件受到破壞時(shí)也有足夠抗震和承載能力。此外，該結(jié)構(gòu)體系上的剛度和強(qiáng)度分布合理，如果出現(xiàn)薄弱部位應(yīng)采取相應(yīng)措施來提高抗震能力。在結(jié)構(gòu)體系選擇確定時(shí)必須要充分考慮場(chǎng)地條件和剛度，注意選擇合理基礎(chǔ)形式，如果是高層建筑應(yīng)該設(shè)置地下室，針對(duì)地基軟弱的應(yīng)選擇樁基或筏板基礎(chǔ)，而巖層高低不平則應(yīng)選用樁基，對(duì)建筑物層數(shù)不多、地基較好的則可以采用單獨(dú)基礎(chǔ)。

2.3 結(jié)構(gòu)布置的原則

首先，結(jié)構(gòu)布置要求是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)只發(fā)生平移振動(dòng)，各構(gòu)件剛度分布均勻，受力平衡；而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)則會(huì)使得重心偏向一邊，部分構(gòu)件受到的應(yīng)力和地震剪力較大，從而可能會(huì)嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)。此外，結(jié)構(gòu)布置要求均勻結(jié)構(gòu)豎向布置，也就是使得豎向布置上剛度、強(qiáng)度均勻，避免出現(xiàn)薄弱部位。在實(shí)際抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同一樓層的框柱架應(yīng)該要有一致的剛度、強(qiáng)度和延性，這樣在發(fā)生地震時(shí)，不會(huì)因?yàn)槭芰Σ痪鶆蚨霈F(xiàn)各個(gè)構(gòu)件被逐一攻破的可能。

2.4 選擇抗震體系類型

首先，建筑物體型應(yīng)該簡(jiǎn)單且具有規(guī)則，有明確受力性能，便于分析內(nèi)力和處理結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造。其次，對(duì)體型比較復(fù)雜的、平立面不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該在合適的位置合理設(shè)置防震縫，對(duì)水平地震作用進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，然后采取相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)措施。這是因?yàn)橥ㄟ^精確抗震分析，可以對(duì)局部應(yīng)力和變形集中、容易受到損壞的地方進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而及時(shí)采取抗震結(jié)構(gòu)措施來提高抗震能力。

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

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段，其中，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況制定勘察報(bào)告，初步確定建筑結(jié)構(gòu)形式，然后根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)和要求布置結(jié)構(gòu)的承重體系和受力構(gòu)件。在結(jié)構(gòu)計(jì)算階段，需要計(jì)算的內(nèi)容有荷載、構(gòu)件、彎矩、剪力、扭矩、拉力等內(nèi)力，還包括構(gòu)件校核計(jì)算。在施工圖設(shè)計(jì)階段，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定構(gòu)件布置、構(gòu)件配置要求，同時(shí)確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)造措施。

3.1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須滿足承載力、剛度、穩(wěn)定性和延性等方面的要求，針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的薄弱部位，要采取措施提高抗震力，對(duì)承受豎向荷載力的構(gòu)件盡量避免成為主要耗能構(gòu)件。其次，抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該由多個(gè)延性良好的構(gòu)件連接組成，比如框筒結(jié)構(gòu)中抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)該由框架和剪力墻兩部分組成。此外，應(yīng)盡可能多設(shè)置幾道防線，因?yàn)槿绻辉O(shè)置一道防線，在第一次破壞后發(fā)生余震將損壞建筑結(jié)構(gòu)，而多道防線則能使延性和剛度均勻分布，使結(jié)構(gòu)可以耗散地震能量，從而提高結(jié)構(gòu)抗震性能。最后，合理處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的強(qiáng)弱關(guān)系，當(dāng)主耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件具有彈性適應(yīng)能力，保證結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

3.2 抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 構(gòu)件的設(shè)置

一方面在底部加強(qiáng)區(qū)以下，也就是在高層建筑的負(fù)一負(fù)二層中可以設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。在負(fù)一層為保證嵌固端邊緣構(gòu)件縱筋延續(xù)，邊緣構(gòu)件的縱筋和第一層相同，箍筋按照構(gòu)造邊緣構(gòu)件設(shè)置；而負(fù)二層以及以下部分則可以全部設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。另一方面關(guān)于核心筒角部位，也就是底部加強(qiáng)區(qū)以上也可以設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，根據(jù)軸壓比來調(diào)整箍筋配置和非陰影區(qū)域的長(zhǎng)度。此外，對(duì)構(gòu)件之間的連接、構(gòu)件延性和剛度進(jìn)行控制，比如適當(dāng)處理構(gòu)件強(qiáng)弱關(guān)系，保證構(gòu)件延性和抗倒塌能力。對(duì)構(gòu)件中相對(duì)薄弱的部分應(yīng)該采取措施加以保護(hù)，提高抗震能力。比如通過合理承載力、彈性受力等計(jì)算，使樓層比值保持均勻變化，防止因局部強(qiáng)化而忽視整體結(jié)構(gòu)的剛度、承載力協(xié)調(diào)。

3.2.2 次梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化

次梁在布置上首先要沿著結(jié)構(gòu)內(nèi)部向周圍發(fā)射布置，這種布置方式不僅傳力途徑清晰效率較高，而且能夠?qū)χ髁焊叨冗M(jìn)行控制，從而確保框筒結(jié)構(gòu)凈高。對(duì)結(jié)構(gòu)平面外的梁體設(shè)計(jì)，也應(yīng)該按照次梁方式進(jìn)行布置設(shè)計(jì)。也就是一端和結(jié)構(gòu)平面外相連接，一端和外圍主梁相連接的梁，應(yīng)該按照次梁設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中需要手動(dòng)調(diào)整抗震等級(jí)，現(xiàn)在也可以通過參數(shù)設(shè)置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 底層柱設(shè)計(jì)優(yōu)化

高層建筑的底層柱，其性能關(guān)系著整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。所以在其抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須要滿足強(qiáng)度、剛度和延性要求。在底層柱的設(shè)置上，首先可以在保證結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上對(duì)框架柱的截面進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)販p小柱截面，同時(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)可以適當(dāng)提升。這是因?yàn)榭蛲步Y(jié)構(gòu)中的大多數(shù)框架柱是構(gòu)造配筋，所以適當(dāng)?shù)乜刂瓶蚣苤孛?，可以減少框架柱配筋的使用。此外，在框筒結(jié)構(gòu)中，框架柱下部分截面較大，然而剪跨比卻經(jīng)常小于2，屬于短柱，所以框架柱體積的配箍率往往在1.2%以上。但是在樓層升高以后，框架柱截面減小，剪跨比可能在某一層上突然達(dá)到2以上，這時(shí)就需要根據(jù)軸壓比進(jìn)行計(jì)算然后確定框架柱的體積配箍率，對(duì)框架柱箍筋配置進(jìn)行精細(xì)化。短柱延性較差，在受到強(qiáng)地震時(shí)容易造成剪切破壞而使結(jié)構(gòu)破壞。影響混凝土短柱延性的因素一個(gè)是軸壓比，另一個(gè)是配箍率和箍筋形式。為提高混凝土短柱抗震性能，需要進(jìn)行短柱延性強(qiáng)化設(shè)計(jì)。以下從提高短柱受壓承載力、采用鋼管混凝土柱箍筋形式、采用分體柱等三個(gè)方面談?wù)勅绾芜M(jìn)行底層柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.3.1 提高短柱的受壓承載力

提高短柱受壓承載力，主要是減小柱截面，同時(shí)提高剪跨比。一般方法是加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，采用高強(qiáng)度混凝土來增加短柱的受壓承載力，降低軸壓比。但是因?yàn)楦邚?qiáng)度的混凝土材料本身自重較大，且延性較差，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)施工中需要和其他措施結(jié)合起來。另外，采用鋼骨或者鋼筋混凝土柱也可以有效提高短柱受壓承載力，從而改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。

3.2.3.2 采用鋼管混凝土柱

上文談到，采用鋼管混凝土柱可以提高短柱受壓承載力，同時(shí)柱截面要比一般的鋼筋混凝土柱小一半，可有效避免短柱形成，具有較好抗震性能。具體來說，鋼管混凝土柱是箍筋的一種特殊形式，是將混凝土填入到鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料，其中混凝土受到側(cè)向力約束，處于三向受壓狀態(tài)中，所以混凝土抗壓能力和極限壓有很大提高，其延性同時(shí)得到改善。另外，鋼管既是縱向箍筋，又是橫向箍筋，在選擇高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行箍筋后，底層柱承載能力大幅度提高，從而有效改善底層柱抗震能力。

3.2.3.3 采用分體柱

當(dāng)?shù)讓又箯澇休d力大于抗剪承載力時(shí)，在抗震作用下會(huì)發(fā)生剪切破壞情況而損壞整個(gè)結(jié)構(gòu)，底層柱抗彎強(qiáng)度無法發(fā)揮效果。底層柱下截面大、剪跨比小，屬于短柱，抗彎承載力要大于抗剪承載力，為適當(dāng)降低短柱抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度略低于抗剪強(qiáng)度，可采用設(shè)置分體柱的方式進(jìn)行人為削弱。也就是在柱子中間沿著豎向設(shè)縫的方向?qū)⒍讨殖蓭讉€(gè)分體柱，對(duì)分體柱的各柱肢分開配筋，在柱肢之間設(shè)置連接鍵，這樣可以增強(qiáng)初期剛度和后期耗能能力。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，能夠有效降低抗震作用對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先建筑設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)建筑實(shí)際情況，在綜合考慮建筑施工場(chǎng)地環(huán)境、經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)因素和安全因素的基礎(chǔ)上，制定合理抗震設(shè)防方案，使建筑物的設(shè)計(jì)施工符合防震標(biāo)準(zhǔn)要求，從而可保證建筑物的安全。