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

許兵 金昌建設(shè)有限公司

當(dāng)前隨著社會(huì)城市化進(jìn)程加快，建筑業(yè)有了蓬勃的發(fā)展趨勢(shì)，其建設(shè)的規(guī)模以及高度也在持續(xù)性擴(kuò)大，在生活中建筑的種類相當(dāng)豐富，但是其內(nèi)存的結(jié)構(gòu)性問題也逐漸突出，因而在建筑的建設(shè)過程中，需要做好結(jié)構(gòu)的分析，這樣在地震到來之時(shí)，才會(huì)避免發(fā)生嚴(yán)重的損失，防止給居民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅，因而相關(guān)工作人員應(yīng)該在對(duì)建筑設(shè)計(jì)重要性深入認(rèn)知的基礎(chǔ)上，落實(shí)各項(xiàng)方案規(guī)劃，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)成最終的目標(biāo)。

一、對(duì)抗震性能化設(shè)計(jì)的理解

（一）抗震性能化設(shè)計(jì)概念的提出

目前，建筑行業(yè)對(duì)抗震性能化設(shè)計(jì)的理解尚不統(tǒng)一。部分學(xué)者認(rèn)為，以結(jié)構(gòu)物的變形需求為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制依據(jù)的設(shè)計(jì)形式就可以稱之為抗震性能化設(shè)計(jì)；也有學(xué)者認(rèn)為，以減少經(jīng)濟(jì)損失、結(jié)構(gòu)損傷作為性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證與分析的過程被稱為抗震性能化設(shè)計(jì)。實(shí)際上，建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)一步步發(fā)展、完善的結(jié)果。美國(guó)加州結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)、美國(guó)應(yīng)用化工技術(shù)局、美國(guó)聯(lián)邦緊急救援組織最早提出基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)概念，即根據(jù)建筑物的重要性、用途、業(yè)主要求來確定性能目標(biāo)，因此，提出不同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)，并且進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，檢驗(yàn)其是否滿足性能目標(biāo)的要求，以及能否滿足建筑結(jié)構(gòu)在未來地震中具備的功能。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)使用靜力彈性、動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，驗(yàn)證建筑結(jié)構(gòu)是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)性能目標(biāo)。

（二）抗震性能化設(shè)計(jì)的目的、內(nèi)容

抗震性能設(shè)計(jì)的目的是在建筑結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)，在一定條件下，提高建筑結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害的能力，在地震作用下，減輕結(jié)構(gòu)的破壞程度，從而減少人員傷亡、經(jīng)營(yíng)中斷、再次修建等損失。因此，抗震性能化設(shè)計(jì)是一種“多級(jí)抗震設(shè)防”的方式，是對(duì)抗震設(shè)計(jì)的深化與細(xì)化。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括地震設(shè)防水準(zhǔn)、性能目標(biāo)確定、結(jié)構(gòu)抗震性能水平的確定、結(jié)構(gòu)抗震性能分析評(píng)估4個(gè)方面。在所有的設(shè)計(jì)內(nèi)容中，需要考慮2個(gè)基本方向：地震需求與結(jié)構(gòu)能力。結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的最終目的是使設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)部件的抗震能力達(dá)標(biāo)，強(qiáng)于地震需求指標(biāo)且費(fèi)用最低。

抗震性能化設(shè)計(jì)，就是一種建立在概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的抗震設(shè)計(jì)新發(fā)展?？拐鹦阅芑O(shè)計(jì)仍然是以現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)水平和經(jīng)濟(jì)條件為前提，從受力體對(duì)性能目標(biāo)進(jìn)行理解的設(shè)計(jì)過程，主要是采取各種設(shè)計(jì)方法和裝置，使整個(gè)結(jié)構(gòu)或者是某些部位、關(guān)鍵構(gòu)件在地震作用過程中，產(chǎn)生的破壞最小。在外力方面，在地震作用下，首先評(píng)估結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)可能發(fā)生的地震等級(jí)。GB50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）中詳述的地震的3個(gè)水準(zhǔn)是小震、中震和大震。實(shí)際上性能化設(shè)計(jì)還需要考慮近場(chǎng)效應(yīng)的影響。在《抗規(guī)》中規(guī)定，處于發(fā)震斷層周圍10km以內(nèi)的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)參數(shù)，如振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間等都應(yīng)計(jì)入近場(chǎng)影響中，這有利于對(duì)地震效應(yīng)的計(jì)算與充分考慮。這種考慮方式也是在具體形式上具體分析的個(gè)性化手段。性能目標(biāo)不再是一個(gè)籠統(tǒng)概念，而是在構(gòu)件破壞狀態(tài)、功能保留狀態(tài)上高于三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)設(shè)置。

二、建筑抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

根據(jù)建筑物的工程質(zhì)量報(bào)告以及功能結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)改造后其功能得到強(qiáng)化，可以滿足安全需要。通常抗震設(shè)計(jì)的思路包括結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算、抗震加固改造、施工效果檢驗(yàn)等幾個(gè)步驟。在進(jìn)行建筑的抗震設(shè)計(jì)過程中，首先明確結(jié)構(gòu)改造加固的技術(shù)原則，在確定技術(shù)規(guī)范的前提下，進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)原結(jié)構(gòu)分析的結(jié)構(gòu)，確定存在結(jié)構(gòu)性能弱點(diǎn)的地方，采用必要的加固方案及措施，進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在確定設(shè)計(jì)方案之后，對(duì)新的結(jié)構(gòu)體系以及性能變化進(jìn)行研究，參照加固圖紙以及施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，確保整體的加固施工質(zhì)量。

加固改造的對(duì)象是現(xiàn)有的建筑，相較于新的建筑其涉及的施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可能發(fā)生改變，這種情況下進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，所選取的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的確定應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況區(qū)分，常見的處理形式包括兩種，首先是按照對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行集中加固改造的方式，根據(jù)設(shè)計(jì)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)原則，確保結(jié)構(gòu)的安全性在改造之后維持在較高的水平，如果原結(jié)構(gòu)的構(gòu)件承載能力較弱，則需要進(jìn)行加固處理。以現(xiàn)存的規(guī)范為依據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)加固改造，從而可以強(qiáng)化原結(jié)構(gòu)的性能，如果原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與現(xiàn)存的行業(yè)規(guī)范有一定的差異，則應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行協(xié)調(diào)。在進(jìn)行加工設(shè)計(jì)的過程中，由于原構(gòu)件承載了一定的載荷，在進(jìn)行加固之后二次受力會(huì)使原構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力變形，壓縮變形的存在使得混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮，而通過加固將部分載荷卸除，新增加的構(gòu)建部分載荷發(fā)生變化，則新加的應(yīng)力則作用于原構(gòu)件，如果新舊結(jié)構(gòu)無法共同達(dá)到應(yīng)力的峰值，則會(huì)使自身的承載能力發(fā)生變化，如果原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形程度較大，而新增的應(yīng)力處于較低的水平，則無法發(fā)揮承載的潛力，抗震加固的部分為二次組合形式，能否成為整體，影響因素包括多方面，首先是其地面是否能夠傳遞剪力，通常情況下，混凝土的結(jié)合面其抗剪能力相較于首次混凝土的抗剪能力更低，因而二次組合結(jié)構(gòu)的承載能力較一次結(jié)構(gòu)更小，在明確建筑受力特征的基礎(chǔ)上，提供抗震設(shè)計(jì)的科學(xué)方案，可以確保最終的施工效果。

三、提高建筑抗震性能設(shè)計(jì)的途徑

（一）砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑的柱體結(jié)構(gòu)與圈梁砌筑墻體部分會(huì)因?yàn)槭艿剿降卣鸷奢d與豎直地震荷載的作用下而出現(xiàn)裂縫，將墻體劃分為多個(gè)塊體。在水平地震荷載的作用下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生水平方向的位移，逐漸向外移動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫的開裂程度越來越大，破壞墻體的整體性，使墻體承壓面積逐漸減小。當(dāng)其承載力無法達(dá)到設(shè)計(jì)承載要求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)坍塌，墻體承載能力也逐漸消失?；谶@種情況，應(yīng)重視結(jié)構(gòu)柱和圈梁的設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的彈性，從而消耗一部分地震作用力，避免建筑墻體的剛度快速衰退從而發(fā)生坍塌現(xiàn)象，或者延緩這種問題的發(fā)生，使建筑即使在中震與大震情況下，也不會(huì)出現(xiàn)快速坍塌。

（二）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑的塑性變形大小需要通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來控制，因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)其抗拉與屈服強(qiáng)度的要求，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)指標(biāo)也應(yīng)在合理范圍內(nèi)，并且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形能力和屈服強(qiáng)度應(yīng)有余量。因此，設(shè)計(jì)框架梁、柱結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化梁柱之間的結(jié)構(gòu)延性，以提高其抗震性能。

另外，仍有少部分人認(rèn)為，鋼筋混凝土強(qiáng)度高就代表性能好，在設(shè)計(jì)中需要避開這一誤區(qū)，應(yīng)因地制宜地根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)與分析。比如，混凝土強(qiáng)度越高，結(jié)構(gòu)的脆性越強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的延性則越低，越不利于消耗地震作用。因此，結(jié)合抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，如果抗震設(shè)防烈度為9度，混凝土強(qiáng)度最高采用C60；如果抗震設(shè)防烈度為8度，混凝土強(qiáng)度最高采用C70。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要根據(jù)混凝土受壓構(gòu)建的軸壓比進(jìn)行調(diào)整、控制，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范的要求。

在鋼筋施工中，控制好箍筋的質(zhì)量，對(duì)箍筋進(jìn)行優(yōu)化也可以取得理想的抗震效果。具體的優(yōu)化途徑是：增強(qiáng)箍筋的抗變形能力、極限強(qiáng)度、耗能能力，可以根據(jù)箍筋的形式、間距、數(shù)量等充分考慮。

（三）通過抗震等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的融入優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)工作者應(yīng)按照市政建筑工程的具體高度來做好其建筑結(jié)構(gòu)模式的區(qū)分，對(duì)不同高度情況下的建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)要求加以綜合考慮，盡可能讓市政建筑結(jié)構(gòu)有能力承受住一定等級(jí)的地震強(qiáng)度。這樣才可以有效確保其抗震性能，盡最大限度避免地震對(duì)市政建筑結(jié)構(gòu)的破壞。

（2）因?yàn)榻ㄖ庥^會(huì)對(duì)其抗震能力產(chǎn)生直接影響，所以在具體的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工作者也應(yīng)該將市政建筑的外觀納入抗震設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)外觀和構(gòu)件之間的情況得以有效衡量，并做好市政建筑結(jié)構(gòu)外觀抗震效果的綜合評(píng)定，主要包括坡面結(jié)構(gòu)、立面模型以及截面模型等的抗震性能綜合評(píng)定，保障市政建筑結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)立面效果都與其實(shí)際抗震需求相符。通過實(shí)踐與研究發(fā)現(xiàn)，如果建筑結(jié)構(gòu)足夠規(guī)則，其抗震性能也會(huì)更好，這是因?yàn)橐?guī)則的建筑結(jié)構(gòu)空間配置具有對(duì)稱性特征，這樣便可實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)承載力的均勻分布，其抗震性能也將得到進(jìn)一步提升。

（3）在具體的市政建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工作者應(yīng)該做好防震縫的添加，通過市政建筑工程實(shí)際施工情況與應(yīng)用需求的全面考慮，對(duì)必要性的抗震單元進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以此來有效降低抗側(cè)力給市政建筑工程結(jié)構(gòu)帶來的不利影響，提升其抗震性能。在對(duì)防震縫進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)工作者一定要對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，以此來確保此項(xiàng)設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)現(xiàn)市政建筑工程抗震能力的有效提升。

（四）減少地震的能量輸入

建筑物抗震效果的具體體現(xiàn)就在于設(shè)計(jì)過程中能否對(duì)地震所帶來的最大破壞力提前預(yù)測(cè)，并對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)的形變能力做好提前的調(diào)整和規(guī)劃。對(duì)于建筑物的結(jié)構(gòu)形變數(shù)值，設(shè)計(jì)單位應(yīng)該對(duì)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行充分調(diào)查以及對(duì)相應(yīng)的公式進(jìn)行有效運(yùn)算，來保證建筑物的形變能力能夠充分適應(yīng)地震的最大破壞能力，減少地震給建筑物帶來的能量輸入。

（五）合理選擇建筑的材料以及結(jié)構(gòu)

為了確保建筑的材料良好，且結(jié)構(gòu)具備合理性，在確定建筑選材時(shí)，應(yīng)該首先考慮到建筑的防震性能，使其能夠維持建筑的整體穩(wěn)定性，在進(jìn)行選材時(shí)，首先考慮到不同地區(qū)的實(shí)際需求，選擇具有更高承載能力以及抗彎能力的材料類型，在建筑的縱向支撐結(jié)構(gòu)中，通過運(yùn)用更高承載能力的支撐材料，可以確保建筑物具有更好的抗震效果，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以應(yīng)用三角結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，從而提升綜合抗震效果[8]。

（六）設(shè)置對(duì)應(yīng)的抗震防線

抗震的過程中，需要做好抗震防線的設(shè)置，如果建筑物的結(jié)構(gòu)相對(duì)較小，則需要對(duì)應(yīng)的防線進(jìn)行保護(hù)，一般小型建筑通過設(shè)置對(duì)應(yīng)的抗震防線，在遇到地震后可以發(fā)揮較大的作用，能夠防止因?yàn)橛嗾鹚鶎?dǎo)致的建筑物的坍塌變形，可以確保建筑物的實(shí)際使用壽命。

四、結(jié)論

通過對(duì)上文的描述和分析，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，做好建筑結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)，將其作為抗震性能的重要指標(biāo)，可以提高建筑抗震性能。因此，為保證建筑抗震性能，降低財(cái)產(chǎn)損失，應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑的抗震性能化設(shè)計(jì)?；诮ㄖ锝Y(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)新型的建設(shè)領(lǐng)域和技術(shù)，它與傳統(tǒng)的防震設(shè)計(jì)相比更具有科學(xué)性、系統(tǒng)性、適應(yīng)性和連貫性，能夠有效地提高我國(guó)建筑物的抗震體系構(gòu)建。政府和建筑單位必須要清楚地認(rèn)識(shí)到建筑物的結(jié)構(gòu)抗震效果以及建設(shè)水平高低，這直接關(guān)乎我國(guó)居民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。只有不斷地對(duì)我國(guó)建筑的防震設(shè)計(jì)和防震技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，才能更好地保證我國(guó)居民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。