建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王萌

（中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州350013）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)也不斷向前推進(jìn)，但結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)從古至今一直都是結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。每個建筑房屋追求的都是在安全的環(huán)境下充分發(fā)揮其使用功能，所以，保證房屋在不可抗力下維持一定的結(jié)構(gòu)性能是做房建工程設(shè)計(jì)的基本要求。雖然對目前的工程設(shè)計(jì)而言，市場上可選擇的計(jì)算模擬軟件多種多樣，但對于建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)和抗震措施等方面的理解是軟件提供不了的。

2 房屋結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)原則

2.1 簡化原則

結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得知，在抗震設(shè)計(jì)過程中，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式越簡單，傳力越清晰明了，其抗震性能也越高，而且簡單的抗震結(jié)構(gòu)在進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算時，其計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性也越高。對此，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，可以結(jié)合實(shí)際情況適當(dāng)簡化房屋抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力途徑，這樣能夠有效提升房屋建筑對建筑地震作用力的承受能力，全面提高房屋建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震性能。

2.2 整體性原則

展開建筑抗震設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)內(nèi)容不只是針對某一個建筑內(nèi)的某一個部位，而是將抗震設(shè)計(jì)貫穿到整個設(shè)計(jì)過程中，從而提高建筑整體的抗震性能。在具體設(shè)計(jì)過程中，需要從整體性設(shè)計(jì)出發(fā)，使其滿足各大指標(biāo)要求。對各種可能影響結(jié)構(gòu)抗震性的影響因素進(jìn)行分析，借助數(shù)字模型對于結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，以此來提升結(jié)構(gòu)本身的抗震性。而且對于構(gòu)件需滿足其抗震構(gòu)造措施的要求，避免應(yīng)力集中等問題的出現(xiàn)，從而提高結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3 規(guī)則性原則

建筑規(guī)則性原則內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下2方面：

1）在建筑設(shè)計(jì)期間，需要沿著建筑物豎向均勻布置建筑造型和結(jié)構(gòu)，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結(jié)構(gòu)變形的情況。

2）建筑平面比較規(guī)則。平面內(nèi)結(jié)構(gòu)布置比較均勻，使建筑物質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào)，限制質(zhì)量與剛度之間的偏心。

3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的在于，在地震災(zāi)害出現(xiàn)時，能夠降低災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失。從目前的應(yīng)用情況來看，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)并不滿足抗震要求，并且結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，降低了結(jié)構(gòu)的耗能能力。另外，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，并對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)【1】。

3.2 缺少可靠的驗(yàn)證方式

結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容合理性驗(yàn)證時，經(jīng)常使用到的檢驗(yàn)方法是：（1）使用抗震模型來開展模擬檢測；（2）在地震發(fā)生后，對建筑完好情況進(jìn)行檢驗(yàn)；（3）進(jìn)行地震危害問題的分析。

施工技術(shù)體系成熟度的增加，使得建筑工程內(nèi)容的復(fù)雜度也在提升，若是直接進(jìn)行抗震試驗(yàn)，很難得到可靠的反饋結(jié)果。因此，借助BIM技術(shù)、數(shù)字技術(shù)來建立建筑工程的三維模型，進(jìn)行模型的抗震試驗(yàn)，以此得出建筑的抗震等級，為抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容調(diào)整提供數(shù)據(jù)參考。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，受預(yù)測技術(shù)成熟度的影響，不同模擬軟件得到的模擬結(jié)果也存在不同，這也導(dǎo)致評估結(jié)果不一定與實(shí)際完全相符。所以，在地震發(fā)生后，應(yīng)進(jìn)行建筑工程地震震害檢查，例如，對混凝土結(jié)構(gòu)工程的整體性進(jìn)行檢查，包括：建筑物的整體外觀、沉降觀測、沉降差、沉降速率、建筑整體垂直度、整體位移及受震后易損部位的檢查等。并且，根據(jù)檢測的結(jié)果，研究地震對建筑物產(chǎn)生的影響和危害情況，為以后的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)【2】。

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

4.1 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在建筑結(jié)構(gòu)的組成中，地基基礎(chǔ)屬于非常重要的內(nèi)容之一，其抗震能力也會影響到建筑整體的穩(wěn)定性。因此，在該環(huán)節(jié)的抗震設(shè)計(jì)中，需要在前期做好基礎(chǔ)資料的采集工作，如區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)活躍度等，根據(jù)評估結(jié)果來確定該工程地基所需要具備的承載力，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造來明確基礎(chǔ)加固措施，如基坑深度、支護(hù)措施等，從而起到提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》【3】、JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》【4】、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》【5】、GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》【6】等規(guī)范對設(shè)計(jì)工作進(jìn)行如下優(yōu)化調(diào)整：

1）結(jié)合該工程的相關(guān)資料，對于建筑基礎(chǔ)參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行明確，內(nèi)容包括地基基礎(chǔ)挖深、基礎(chǔ)總面積、樁基直徑/深度、接縫寬度等。

2）利用有限元模型對建筑極限荷載進(jìn)行計(jì)算，以此為基礎(chǔ)來優(yōu)化荷載組合，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行明確。

3）進(jìn)行地基基礎(chǔ)的形變量監(jiān)測和計(jì)算，計(jì)算時參考正常狀態(tài)來完成，對于該狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行確定。

4）根據(jù)承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合，對基礎(chǔ)或承臺高度、基礎(chǔ)內(nèi)力、確定配筋和驗(yàn)算材料強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

4.2 依據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范平面及豎向設(shè)計(jì)

平面規(guī)則與建筑物的穩(wěn)定性也存在一定的聯(lián)系，這是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長度不宜過長，不宜采用角部重疊或細(xì)腰形的平面布置。因此，結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡單、規(guī)則、對稱，避免剛度、質(zhì)量和承載力分布不均勻。對于有較多凹凸口的復(fù)雜形狀平面要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)或采用一定的補(bǔ)救措施，以最大限度地保證建筑的穩(wěn)定性。對于抗震高層建筑的結(jié)構(gòu)豎向布置，應(yīng)避免過大的外挑和收進(jìn)，宜規(guī)則、均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度也應(yīng)該做到上小下大均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。

4.3 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)

強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件是進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時的重要概念。相較于梁構(gòu)件破壞而造成的局部破壞，柱子的破壞會危及整體結(jié)構(gòu)的安全性，造成結(jié)構(gòu)的整體垮塌。因此，在結(jié)構(gòu)中為了保護(hù)柱，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗地震能力，將塑性鉸先出現(xiàn)在梁部，通過發(fā)展一定的塑性來吸收地震能。還有強(qiáng)柱系數(shù)，梁柱線剛度比等都是相應(yīng)指標(biāo)。強(qiáng)柱弱梁使梁端的塑性鉸先出、多出，盡量減少或推遲柱端塑性鉸的出現(xiàn)。適當(dāng)增加柱的配筋可以達(dá)到上述目的。需保證強(qiáng)剪弱彎是因?yàn)榧羟衅茐氖且环N脆性破壞，而彎曲破壞是延性破壞，有所預(yù)兆，所以能進(jìn)行及時的人員疏散、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)中，梁柱的剪力設(shè)計(jì)值需按規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)整。不同抗震等級的梁、柱采用不同剪力增大系數(shù)，同樣需考慮材料實(shí)際強(qiáng)度和鋼筋實(shí)際面積2個因素的影響。強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件則需對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，并且在各抗震等級下的框架節(jié)點(diǎn)均應(yīng)符合構(gòu)造措施要求。除此之外，進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，還可以參考其他減震設(shè)計(jì)來提升結(jié)構(gòu)延性。例如，可以將多段墻框架融入抗震審計(jì)中，在遇到地震時，可以進(jìn)行地震能量的轉(zhuǎn)接和吸收，從而起到良好的減隔震作用，提升建筑結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)固性。

4.4 合理選擇抗震材料

建筑結(jié)構(gòu)對建筑的穩(wěn)定性具有重要影響，巧妙的結(jié)構(gòu)能夠大大提高建筑整體的穩(wěn)定性?，F(xiàn)如今，已有很多用于抗震的建筑構(gòu)型，其在歷次災(zāi)害中優(yōu)勢顯著。通常情況下，在建筑結(jié)構(gòu)的主體部位主要以強(qiáng)度和韌性較強(qiáng)的材料為主，這大大提升了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升了建筑的安全性能。此外，在材料選擇過程中，還需要考慮節(jié)能環(huán)保材料的使用，如鋼結(jié)構(gòu)、聚塑板等，以此來提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合性能。

5 結(jié)語

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，抗震設(shè)計(jì)屬于重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，借助可靠的抗震設(shè)計(jì)，能夠有效提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，降低地震發(fā)生時出現(xiàn)坍塌的概率。需要注意的是，所有的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容需要嚴(yán)格遵守相應(yīng)的建設(shè)規(guī)范，同時做好結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)工作，以此來提高建筑工程的綜合性能，延長使用壽命。