抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

王劼毅

1 引言

地震是一種不可抗力的自然災(zāi)害，地震發(fā)生時，嚴重威脅著城市經(jīng)濟的發(fā)展和人們的生活水平。尤其是在建筑領(lǐng)域，如果建筑物本身無法承受地震的作用力，一旦發(fā)生損壞甚至坍塌，會造成極其嚴重的經(jīng)濟和人員損失。此外，由于目前的科技水平還遠遠無法達到精準(zhǔn)預(yù)測地震的地步，所以必須加強建筑物的抗震性能。通過在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，引入抗震概念設(shè)計，能夠大幅度提升建筑自身的抗震性能，在地震發(fā)生時，能夠最大程度的保護周邊的人群和財產(chǎn)。因此，研究抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實意義。

2 建筑抗震概念設(shè)計概述

一般情況，在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，會從兩個方面進行設(shè)計：計算設(shè)計和概念設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)的計算設(shè)計，是對建筑的結(jié)構(gòu)模型、地質(zhì)情況等一些的數(shù)據(jù)進行研究、分析和計算，通過不斷的對結(jié)構(gòu)和部分構(gòu)件調(diào)整，確保建筑物的整體受力情況能夠達到了建筑的設(shè)計要求。計算設(shè)計的優(yōu)點在有科學(xué)依據(jù)，得到的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，符合建筑要求。但是缺點是需要由準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和完善的信息。

由于地震的不可預(yù)知性，無法精準(zhǔn)的對地震發(fā)生時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息進行收集和計算，如果采用計算設(shè)計來進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，往往不準(zhǔn)確而且也不現(xiàn)實。這是，就需要引入概念設(shè)計，對建筑進行抗震設(shè)計。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是相對比較經(jīng)濟，無需高昂的設(shè)計成本，相對工作量較少，而缺點是對設(shè)計人員的要求較高，不僅本身的工作經(jīng)驗要十分豐富，而且要對當(dāng)?shù)氐牡卣鹎闆r和相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)有詳細的了解。

3 建筑抗震概念設(shè)計遵循的基本原則

在進行建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)始終堅持以下原則：

3.1 整體合理性原則

建筑本身是一個整體，在進行建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計時，必須確保建筑整體結(jié)構(gòu)的合理性。局部的抗震性能好不代表建筑物在收到地震作用時，不會發(fā)生損傷或者破壞。相關(guān)設(shè)計人員必須從整體角度出發(fā)，遵循建筑的基本規(guī)定和要求，確保建筑物整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和抗震，合理的引入抗震設(shè)計，提升建筑物的整體抗震性能。

3.2 結(jié)構(gòu)合理性原則

結(jié)構(gòu)合理是建筑物設(shè)計的核心原則。如果單純的為了建筑物的抗震性能，而忽略了結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，建筑物本身的穩(wěn)定性就已經(jīng)大打折扣，在地震災(zāi)難發(fā)生時，不僅不能抗震，而且收到損傷甚至坍塌的可能性會更高。因此，在進行建筑設(shè)計時，應(yīng)重點考慮平衡和穩(wěn)定，降低建筑物側(cè)拉力，確保建筑整體結(jié)構(gòu)的合理和穩(wěn)定。

3.3 豎向均勻原則

地震發(fā)生時，建筑物在水平方向所受到的作用力會突然加大，會導(dǎo)致建筑產(chǎn)生一定的變形。如果建筑的豎向設(shè)計出現(xiàn)問題，作用力不均衡，會導(dǎo)致建筑很容易因變形而產(chǎn)生扭曲，增大了建筑物損傷的可能性。因此，在進行建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計時，因局部突變或者扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，所產(chǎn)生薄弱部位應(yīng)當(dāng)避免，確保建筑的豎向和水平結(jié)構(gòu)布置，都具有較高的剛度和承載力分布。在進行結(jié)構(gòu)的平面布置時，要求簡單、規(guī)則和對稱，且質(zhì)量中心與剛度中心之間的差異應(yīng)控制在最小；在進行豎向結(jié)構(gòu)的布置時，除了規(guī)則和均勻之外，還應(yīng)避免過度的結(jié)構(gòu)向外或者向內(nèi)，在側(cè)向剛度方面，為了避免出現(xiàn)突變的情況，保持建筑物的從下而上，逐漸均勻的變小。

4 抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用

前文提到，抗震概念設(shè)計是由于地震作用的不確定性（隨機性、復(fù)雜性、間接性和耦連性）和結(jié)構(gòu)計算假定與實際情況的差異。這使得其計算結(jié)果不能全面真實地反映結(jié)構(gòu)的受力、變形情況，并確保結(jié)構(gòu)安全可靠。因此，在實際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，抗震概念設(shè)計的應(yīng)用包括正確的場地選擇，合理的結(jié)構(gòu)選型和布置、正確的構(gòu)造措施等。

4.1 建筑工程地點的最優(yōu)選擇

選擇建筑場地時，宜選擇對建筑抗震有利的地段，避開對建筑抗震設(shè)計不利的地段。抗震危險地段指地震時可能發(fā)生崩塌（如溶洞、陡峭的山區(qū)）、地陷（如地下煤礦的大面積采空區(qū)）、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度為Ⅷ度以上的發(fā)震斷裂帶在地震時可能發(fā)生錯位的斷層。

此外，在進行抗震概念設(shè)計時，對施工場地的土地也有要求。一般情況下，密實度高，硬度強且較為均勻的土地結(jié)構(gòu)，可以大大提升建筑物的抗震性能。對于軟弱土、易液化土、斷層破碎帶以及成巖、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土地場所，應(yīng)當(dāng)盡量避免，一旦發(fā)生地震時，即便是建筑物本身的抗震性能良好，也會因為土地問題導(dǎo)致?lián)p傷甚至坍塌的危險安全事故發(fā)生。

例如：天津塘沽港地區(qū)，由于地表土地為沖填土，在地表下存在大量的淤泥和淤泥質(zhì)土，且地下水水位較高，1974年在此地建設(shè)的住宅樓，到1976年唐山大地震發(fā)生時，已經(jīng)發(fā)生了接近200mm的沉降。地震發(fā)生后，沉降量受地震影響突然增大，沉降達到350mm。雖然該地區(qū)的房屋建筑不在地震災(zāi)害區(qū)域，但仍然發(fā)生了房屋傾斜，四周地面隆起的安全事故，如圖1所示。

圖1 軟土地基上房屋的震害

4.2 抗震構(gòu)架體的選取

剛度大、強度好的的建筑物構(gòu)架方案，可以大大降低建筑物在受到地震作用時發(fā)生變形的幾率，由此達到提升建筑抗震性能的目的。一般情況下，應(yīng)參考以下應(yīng)用原則：

（1）平面結(jié)構(gòu)宜簡單。結(jié)構(gòu)的簡單性可以保證地震力具有明確而直接的傳遞途徑，使計算分析模型更易接近實際的受力狀態(tài)，所分析的結(jié)果具有更好的可靠性，據(jù)此設(shè)計的結(jié)構(gòu)的抗震性能更有安全可靠保證。地震區(qū)的建筑平面以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形次之；三角形、帶有較長翼緣的L形、T形、十字形、Y形、U形和H形等平面結(jié)構(gòu)對抗震結(jié)構(gòu)性能不利，盡量在設(shè)計時避免出現(xiàn)。

（2）立面變化要均勻。即建筑的質(zhì)量和剛度變化要均勻。結(jié)構(gòu)布置不均勻產(chǎn)生剛度和強度的突變，引起豎向抗側(cè)力構(gòu)件的應(yīng)力集中或變形集中，將降低結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力，地震時易發(fā)生損壞，甚至倒塌。根據(jù)均勻性原則，建筑的立面也應(yīng)采用矩形、梯形和三角形等非突變的幾何形狀。

例如：某建筑為六層鋼筋混凝土房屋，其剖面如圖2所示。該建筑三層以上為框架-剪力墻體系，底層和二層為框架體系，而二層有較多的磚隔墻。該結(jié)構(gòu)上、下層的側(cè)向?qū)娱g剛度相差約為10倍。地震后，上面幾層震害很輕，而底層嚴重偏斜，縱向側(cè)移達600mm，橫向側(cè)移約600mm，角柱出現(xiàn)嚴重的受壓酥碎現(xiàn)象。

圖2 某建筑破面圖

4.3 抗震參數(shù)計算和統(tǒng)計工作

在進行建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計時，參考相關(guān)的數(shù)據(jù)可以大大提升方案的合理性和準(zhǔn)確性。因此，在進行建筑方案設(shè)計時，應(yīng)針對建筑的受力情況，進行相關(guān)明確的數(shù)值計算，并以此為基礎(chǔ)建立建筑結(jié)構(gòu)模型，通過多次的模擬試驗，驗證所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)是否符合抗震要求。例如關(guān)鍵性的指標(biāo)數(shù)據(jù)有：結(jié)構(gòu)的位移比、層間位移角、結(jié)構(gòu)的周期比、結(jié)構(gòu)的剪重比和剛重比以及軸壓比等數(shù)值。

4.4 設(shè)置多道抗震防線

單一結(jié)構(gòu)體系只有一道防線，一旦破壞就會造成建筑物倒塌。特別是當(dāng)建筑物的自振周期與地震動卓越周期相近時，建筑物由此而發(fā)生的共振，更加速其倒塌進程。如果建筑物采用的是多重抗側(cè)力體系，第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件在強烈地震作用下遭到破壞后，后備的第二道乃至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立即接替，抵擋住后續(xù)的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期與地震動卓越周期相同或接近的情況時，多道防線就更顯示出其優(yōu)越性。當(dāng)?shù)谝坏揽箓?cè)力防線因共振而破壞，第二道防線接替工作，建筑物自振周期將出現(xiàn)較大幅度的變動，與地震動卓越周期錯開，使建筑物的共振現(xiàn)象得以緩解，避免再度嚴重破壞。

例如；某建筑位于地震區(qū)，地面以上18層，高61m。該大樓采用鋼筋混凝土芯筒作為主要的抗震和抗風(fēng)構(gòu)件。但是，該芯筒又有四個小芯筒組成，在每層樓板處，采用較大截面的鋼筋混凝土連系梁，將四個小筒連成一個具有較強整體性的大筒，如圖3所示。

圖3 某建筑設(shè)置多道抗震防線示意圖

這樣的抗震設(shè)計，既考慮四個小筒作為大筒的組成部分發(fā)揮整體作用時的受力情況，又考慮連系梁損壞后四個小筒各自作為獨立構(gòu)件的受力狀態(tài)，且小筒間的連系梁完全破壞時整體結(jié)構(gòu)仍具有良好的抗震性能。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著人們生活水平的不斷提高，對建筑物的抗震要求也在不斷增大。作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，抗震概念設(shè)計是不可缺少的。因此，通過不斷的學(xué)習(xí)先進的技術(shù)手段，引入科學(xué)的理論，提升建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)調(diào)性和整體性，不斷增強建筑的抗震性能。

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