建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

王超然

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000）

一、引言

整個(gè)地球每年都會(huì)發(fā)生很多次地震，人們能感覺到的地震大約有5萬余次，會(huì)使建筑物發(fā)生破壞的地震大約有20余次，給人類帶來毀滅性的地震大約有2次。近年來，我國(guó)發(fā)生過不少讓人刻骨銘心的地震，例如：河北唐山大地震、云南省瀾滄、耿馬地震、昆侖山大地震、四川汶川地震、青海玉樹地震等，地震帶來的慘痛經(jīng)歷都?xì)v歷在目。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，地球內(nèi)部不斷運(yùn)動(dòng)，慢慢地集聚了大量的能量，這種能量會(huì)造成建筑物的破壞甚至是倒塌，還會(huì)引發(fā)各類次生災(zāi)害，比如泥石流、滑坡、水災(zāi)、火災(zāi)、疫情等，在地震及其地震引發(fā)的次生災(zāi)害下，會(huì)給國(guó)家?guī)砭薮蟮娜藛T傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此，必須注重建筑物的抗震設(shè)計(jì)。

二、建筑結(jié)構(gòu)震害分析

（一）多層及高層鋼筋混凝土房屋震害分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遭受到高于本地區(qū)抗震烈度的地震時(shí)會(huì)發(fā)生破壞，其破壞的形式主要體現(xiàn)在兩個(gè)層次，第一個(gè)層次是結(jié)構(gòu)破壞，第二個(gè)層次是構(gòu)件破壞。

引起結(jié)構(gòu)層次破壞的原因主要有兩個(gè)：第一，設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)的時(shí)侯，沒有注意平面的規(guī)則性。如果在對(duì)建筑物的構(gòu)件進(jìn)行布置時(shí)，平面布置不對(duì)稱，容易造成結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心不重合，當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，在水平地震力的作用下，會(huì)分別以質(zhì)量中心和剛度中心為矩心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，質(zhì)量中心和剛度中心之間的距離增大，會(huì)增加這種扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而使結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。若結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，存在較大的凸出、凹進(jìn)，或者平面布置可能明顯導(dǎo)致強(qiáng)烈局部震動(dòng)時(shí)，在平面上的薄弱部位會(huì)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞。第二，建筑結(jié)構(gòu)在豎向上剛度分布不均勻，存在突變的情況，當(dāng)發(fā)生地震，受地震力的影響，剛度小的樓層變形增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)樓層垮塌。

構(gòu)件層次的破壞主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，梁端破壞。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，梁與柱子相交的地方是最容易發(fā)生破壞的，屬于局部的破壞，梁屬于水平方向的構(gòu)件，若發(fā)生破壞不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)樓層直接倒塌。梁的破壞形式有斜截面的破壞和正截面的破壞，若發(fā)生斜截面的破壞，破壞的特征是，梁端附近有很多細(xì)小且密集的斜裂縫，混凝土?xí)l(fā)生剪壓破壞最后被壓碎，這種脆性的破壞比較危險(xiǎn)。正截面破壞主要是在水平地震力的作用下，梁的跨中產(chǎn)生較大的正彎矩，支座處產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，從而產(chǎn)生貫通的豎向裂縫，嚴(yán)重的話，會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，造成內(nèi)力重分布。第二，柱端破壞。柱子屬于豎向承重構(gòu)件，一旦發(fā)生破壞，整棟樓就會(huì)倒塌。柱子本身要承受梁和板傳來的豎向荷載，當(dāng)遭遇到地震時(shí)，又要同時(shí)承受水平的地震力，如果不注重柱子的抗震設(shè)計(jì)，建筑物將會(huì)遭受非常嚴(yán)重的破壞。柱子常見的震害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在水平地震力作用下，柱子會(huì)發(fā)生剪切破壞；在軸力和正負(fù)彎矩的作用下，柱子會(huì)發(fā)生壓彎破壞；當(dāng)柱子的縱向配筋較少且承受正負(fù)彎矩時(shí)，容易發(fā)生彎曲破壞；角柱處于雙向偏壓的狀態(tài)，受力狀態(tài)很復(fù)雜；若框架中存在錯(cuò)層，柱子的變形會(huì)受到填充墻的約束，使得柱子的計(jì)算長(zhǎng)度減小，剪跨比也會(huì)相應(yīng)地減小，此時(shí)，柱子容易發(fā)生剪切破壞。因此“強(qiáng)柱弱梁”在抗震設(shè)計(jì)中非常重要。第三，節(jié)點(diǎn)破壞。梁柱的節(jié)點(diǎn)在地震力的反復(fù)作用下因抗剪強(qiáng)度不足容易發(fā)生破壞，充分體現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)中“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固”設(shè)計(jì)理念的重要性。第四，抗震墻破壞。抗震墻又稱之為剪力墻，地震發(fā)生時(shí)，剪力墻中的連梁先發(fā)生剪切破壞，連梁之所以發(fā)生破壞，主要是由其自身的特點(diǎn)決定的，一般情況下，連梁容易形成深梁，深梁的特點(diǎn)是跨度小，高度大，在反復(fù)地震力的作用下，容易發(fā)生剪切破壞，其破壞屬于脆性的。第五，填充墻的破壞。填充墻在地震中通常表現(xiàn)為整體倒塌或者是沿著墻體的對(duì)角線產(chǎn)生斜裂縫，主要原因是墻體的受剪承載力太低，變形能力較小且墻體和框架結(jié)構(gòu)之間沒有強(qiáng)有力的拉結(jié)。

另外，除了結(jié)構(gòu)破壞和構(gòu)件破壞，還有其他破壞也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的震害。第一，毗鄰建筑及防震縫的問題。在之前發(fā)生的地震中，一再發(fā)生相鄰建筑物碰撞的事件，主要原因就是兩座建筑物之間的縫隙，不滿足防震縫的要求，防震縫的寬度太小，導(dǎo)致地震時(shí)，實(shí)際位移過大。第二，樓梯和樓梯間。樓梯是主要的逃生通道，如果樓梯發(fā)生破壞，將會(huì)阻斷人們的逃生通道。多數(shù)地震表明，樓梯間的破壞比較嚴(yán)重，究其原因，主要是因?yàn)榈卣饋砼R時(shí)，樓梯段處于交替的拉彎和壓彎這樣的一個(gè)受力狀態(tài)，受力情況較為復(fù)雜，至今為止，沒有研究出一個(gè)針對(duì)樓梯整體的計(jì)算公式。

（二）多層砌體結(jié)構(gòu)房屋震害分析

砌體結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件是墻體，墻體要承受重力的作用，地震發(fā)生的時(shí)候，墻體還要受到水平地震作用、豎向地震作用，多種力的作用下，結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生破壞，破壞的情況是否嚴(yán)重，在一定程度上取決于結(jié)構(gòu)的類型、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施。砌體結(jié)構(gòu)具體的震害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，房屋倒塌。房屋倒塌有整體倒塌和局部倒塌，當(dāng)?shù)讓訅w強(qiáng)度弱，地震力較大時(shí)，容易發(fā)生整體的倒塌，當(dāng)墻體的整體強(qiáng)度較高，只是局部構(gòu)件之間的連接出現(xiàn)問題時(shí)，表現(xiàn)為墻體局部的倒塌。第二，墻體開裂。當(dāng)?shù)卣鹆Ξa(chǎn)生的主拉應(yīng)力比砌體自身的抗拉強(qiáng)度還要大的時(shí)候，會(huì)使墻體產(chǎn)生斜裂縫；外縱墻窗口的地方非常容易產(chǎn)生水平裂縫，究其原因，主要是樓蓋自身的剛度小，橫墻的間距設(shè)置的過大，地震力不能有效地傳遞給橫墻，從而引起裂縫；墻體上還會(huì)形成一些交叉的裂縫和豎向裂縫。第三，墻角破壞、縱橫墻連接破壞。墻角剛好處于縱墻和橫墻的交接處，要受到兩個(gè)不同方向的地震力的作用，破壞形態(tài)多種多樣，縱橫墻體的連接部位，沒有非?？煽康睦Y(jié)，再加上施工時(shí)候砌筑質(zhì)量不佳，忽視咬茬砌筑，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能會(huì)產(chǎn)生豎向裂縫或者是墻體整體倒塌。第五，樓梯間的破壞。地震作用下，樓梯間兩側(cè)的承重墻體發(fā)生的破壞比較嚴(yán)重，主要是原因是，在砌體結(jié)構(gòu)中，樓梯間的開間一般設(shè)置的不會(huì)很大，這就導(dǎo)致水平方向的剛度較大，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，分擔(dān)地地震力相對(duì)也較大，容易發(fā)生破壞。

三、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的措施

（一）多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)措施

首先，考慮結(jié)構(gòu)的選型。框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱構(gòu)件承擔(dān)水平和豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系，框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是布置比較靈活，容易形成較大的空間，缺點(diǎn)是抗側(cè)剛度比較小，所以當(dāng)建筑物的高度較大，或者是對(duì)側(cè)移控制較為嚴(yán)格時(shí)不適用。抗震墻結(jié)構(gòu)是由縱、橫雙向布置的鋼筋混凝土墻體共同承擔(dān)水平和豎向荷載，相比框架結(jié)構(gòu)而言，抗側(cè)剛度、抗震性能好，但平面布置不夠靈活、造價(jià)較高。框架---抗震墻是框架結(jié)構(gòu)和抗震墻結(jié)構(gòu)的組合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在商住、會(huì)展等綜合功能要求高的建筑物中大量采用。筒體結(jié)構(gòu)是由縱、橫雙向布置的抗震墻或密布的框架柱形成平面閉合狀結(jié)構(gòu)，其整體空間剛度比其他常用結(jié)構(gòu)體系更大，多用于超高層建筑中。其次，考慮抗震等級(jí)。嚴(yán)格遵守當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防烈度和抗震等級(jí)，根據(jù)建筑物的特點(diǎn)，選用不同的結(jié)構(gòu)體系，并將其控制在規(guī)范規(guī)定的高度內(nèi)。最后，遵守結(jié)構(gòu)布置的一般原則。結(jié)構(gòu)的平面布置外形追求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，豎向布置要保證側(cè)向剛度均勻變化，防震縫的設(shè)置要滿足地震時(shí)的變形要求。

（二）多層砌體結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)措施

砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)布置應(yīng)當(dāng)遵循以下的規(guī)定：首先，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，盡量選擇橫墻承重或者是縱橫墻同時(shí)承重。其次，房屋的層數(shù)和總高度限值要符合相關(guān)的規(guī)定。研究表明，砌體房屋的高度越大、層數(shù)越多，震害就越嚴(yán)重。然后，限制房屋的最大高寬比。若高寬比較小，地震力引起的變形主要是剪切變形，若高寬比增大，會(huì)增加彎曲效應(yīng)，增加震害力。最后，限制房屋局部尺寸。多層砌體房屋的窗間墻、凸出屋面的女兒墻等都屬于抗震的薄弱環(huán)節(jié)，因此，抗震規(guī)范規(guī)定這些部位的局部尺寸限制。

四、結(jié)語

一般來說，將結(jié)構(gòu)自身的承載力、剛度和延性進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣?，是我們抗震的重點(diǎn)工作，實(shí)際上，這是一種比較被動(dòng)的抗震措施。時(shí)代在發(fā)展，科技在進(jìn)步，人們正在探索更加合理有效的抗震方式。例如，通過采用隔振和消能減震設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)抗震，這種方式比較積極主動(dòng)，也是抗震方向的取得重大突破，很多國(guó)家都開始研究這種抗震方式，并且在工程中也得到了成功的應(yīng)用。