建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的作用及措施

路 彤

（唐山地震監(jiān)測中心站，河北 唐山 063000 ）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，住房問題越來越嚴重，建造了許多摩天大樓來解決住房問題。因此，在建筑的設(shè)計和施工中，抗震性能十分重要，這部分一直是建筑師設(shè)計的重點?？拐鹪O(shè)計是在發(fā)生地震時保持高層建筑完整性的重要元素，因此，我們有必要充分了解建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的重要性以及建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的要點。當(dāng)然，抗震設(shè)計必須符合結(jié)構(gòu)安全、可靠性和高經(jīng)濟效益的基本原則?？拐鹪O(shè)計是基于科學(xué)合理的技術(shù)，必須確保在地震時抗震設(shè)計可以發(fā)揮作用，保證建筑物遭受地震之后經(jīng)過短時間的修繕工作就可以繼續(xù)使用，這大大降低維修成本，實現(xiàn)利益最大化。

1 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的基本要求

地震是目前受關(guān)注度較高的自然災(zāi)害。因建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計要求必須反映現(xiàn)實性、經(jīng)濟性和安全性，并且在建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計時，必須滿足相關(guān)基本要求。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）給出了建筑物抗震性的“三水準、兩階段”的要求，“三水準”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”[1]。當(dāng)發(fā)生第一設(shè)防烈度地震也就是低于本地區(qū)地震設(shè)防烈度的多遇地震時，其結(jié)構(gòu)在彈性變形階段，建筑物通常可以正常使用，建筑物大多不受損壞或不需維修就可以繼續(xù)使用。因此，在多遇地震中建筑物的極限承載力應(yīng)當(dāng)滿足驗算條件，并且建筑物的彈性變形不得超過規(guī)定的彈性變形極限。根據(jù)地震強度，發(fā)生第二設(shè)防烈度地震時就是相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本設(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)為屈服狀態(tài)，進入非彈性變形階段，可能形成局部損壞。但是，可以在經(jīng)過一般檢查和維修后繼續(xù)使用[2]。

2 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的原則

近年來，地震變得更加頻繁，人民和財產(chǎn)安全受到嚴重影響，造成的一個非常重要的問題是地震造成的建筑物倒塌。因此，從建造建筑項目起，應(yīng)該進行建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計，并嚴格評估?？拐鹪O(shè)計應(yīng)遵循以下準則：①在構(gòu)建復(fù)雜的設(shè)計項目時，有必要選擇一種合適的測量方法來研究建筑項目薄弱層的塑彈性變形，例如靜力分析和動力分析等方法。②設(shè)計時，將彈性過程分析法作為補充類測算措施。必須注意建筑結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力位移，還必須選擇不同的測算方法，確保測算建筑物內(nèi)力位移的準確性。③在設(shè)計連體建筑物的過程中，應(yīng)同時測量一個或多個建筑物結(jié)構(gòu)的振型數(shù)，應(yīng)為單體數(shù)的至少9 倍，有效質(zhì)量系數(shù)為0.9 以上[3]。

3 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的作用

3.1 提升建筑物的抗震能力

為了確保建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震能力，應(yīng)做好以下幾點：①在建筑結(jié)構(gòu)工程中，必須考慮到地基穩(wěn)定性因素，選擇適合于抗震性的地基，避免地基變形影響建筑物抗震功能；②同一個建筑結(jié)構(gòu)工程單元要選擇性質(zhì)一樣的地基，必須將地基的最大潛力包括在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，發(fā)揮地基的抗震能力；③建筑結(jié)構(gòu)工程需要規(guī)則且對稱，目的是減少由于地震活動引起的建筑物變形，并防止由于地震作用力集中而導(dǎo)致的建筑扭曲；④為了提高建筑結(jié)構(gòu)工程抗震性能，我們需要增加幾道抗震防線。同時，有必要明確建筑結(jié)構(gòu)工程的受力設(shè)計，防止建筑結(jié)構(gòu)工程的局部薄弱[4]。

3.2 降低地震對建筑的影響

降低地震對建筑的影響中，一種常見的方法是在建筑基礎(chǔ)和建筑主體之間添加隔震層，這樣可以有效減少對建筑物的潛在破壞。例如，在建筑物頂部添加一個“反擺”，“反擺”使建筑物和擺在地震中產(chǎn)生方向相反的位移，從而減小加速度，減小地震對建筑的作用。相關(guān)研究分析認為，如果合理設(shè)置“反擺”，減少地震影響的概率可以達到65%，可以最大限度減少建筑物的受損程度。該方法已在國內(nèi)外得到廣泛研究，在實際施工中也得到了應(yīng)用，并取得了優(yōu)異的效果。

3.3 保證建筑剛度

正確設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)工程抗震和明確建筑物剛度非常重要。因此，有必要充分考慮大量使用鋼筋混凝土，主要應(yīng)用是通過改善結(jié)構(gòu)來加固現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4 加強建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的措施

4.1 科學(xué)選擇結(jié)構(gòu)體系

為了確保建筑物的整體協(xié)調(diào)，必須科學(xué)地選擇結(jié)構(gòu)體系。通常，建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計概念要求以下兩個條件：①穩(wěn)定；②合適。通過選擇科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)工程體系來滿足結(jié)構(gòu)的變形和抵抗力要求。建筑物必須具有一定的剛度，才能在一定程度上承受自身的載荷，并有效防止變形；當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，才能對較大的地震力輔以緩沖，以防止對建筑物造成局部損壞。因此，在選擇結(jié)構(gòu)體系時，必須要明確建筑物傳力的途徑和受力的計算，轉(zhuǎn)換層的使用應(yīng)盡量避免，這樣可以降低建筑物傾斜或局部受損的幾率，從而保護建筑物。

4.2 提升結(jié)構(gòu)延性

如果建筑物的抗震性低于地震等級，則由于脆性破壞很容易倒塌。因此，建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的延性并增加其強度?？梢愿倪M以下內(nèi)容：①延性材料。如果使用延性材料在發(fā)生彈性變形或重復(fù)彈性變形時，延性不會有明顯下降。②桿件的延性。為了改善結(jié)構(gòu)的延性，應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)部件的桿件的延性，例如塑性變形、能量耗散等。③構(gòu)件的延性。某一個構(gòu)件發(fā)生塑性變形和消耗能量的能力，可以通過提高墻體或框架的延性來改善建筑結(jié)構(gòu)的整體延性。通常，建筑結(jié)構(gòu)的延性與其抵抗塌陷或塑性變形的能力有關(guān)。可以在設(shè)計中使用以下方法：①在平面上，增強突變處和轉(zhuǎn)角處之類的延性；②對于豎向，可以增強薄弱樓板延性；③增加首道抗震防線部分的構(gòu)件延性。

4.3 軸壓比和短柱的合理設(shè)計

在抗震設(shè)計中，必須減小柱的軸向壓縮比，并增加柱的橫截面尺寸。降低軸向壓縮比的目的是將柱放置在大偏心受壓狀態(tài)，以避免縱向受力的鋼筋沒有達到受拉屈服而導(dǎo)致混凝土被壓碎的情況。由于柱的剛性強延性差，結(jié)構(gòu)在地震的作用下容易被破壞，可以采用“強柱弱梁”的設(shè)計提高結(jié)構(gòu)的整體延性，增加地震耗能，增強結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4.4 提升結(jié)構(gòu)的整體性

①選用鋼作為支撐結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)中的一項新技術(shù)，但已在許多項目中使用。如貴州鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展中心樓，占地26,000 平方米，高24 層，建筑承板使用港靜線桁架，可以改善建筑物的完整性。高層建筑主要采用鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)，對建筑框架結(jié)構(gòu)的側(cè)面剛度產(chǎn)生積極的影響，可以提高整個高層建筑的強度，提高水平荷載。與純框架結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的穩(wěn)定性極佳，適合結(jié)構(gòu)支撐要求。使用環(huán)向密封同一平面，可以增加側(cè)向剛度，尤其是在地震負荷較高的地方效果更好。②抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。如果建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)形式，則可以使用鋼結(jié)構(gòu)來支撐建筑物的豎向負載和部分橫向負載。如果建筑物的結(jié)構(gòu)是多種框架結(jié)構(gòu)的形式，可以通過交錯桁結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)上下樓層，從而提供單元設(shè)置靈活性。該結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)的平面中，梁柱的彎矩較小，側(cè)向位移較小。

4.5 規(guī)范建筑形體及構(gòu)件的布置規(guī)則

平面不規(guī)則主要類型為：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)，具體反映在結(jié)構(gòu)分析軟件結(jié)果的評估和確定中，如扭轉(zhuǎn)不規(guī)則體現(xiàn)在：位移系數(shù)不應(yīng)小于1.2 且不大于1.5，周期比對于A 級高度的建筑不應(yīng)大于0.9。豎向高度不規(guī)則的主要類型是：側(cè)向剛度不規(guī)則、抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變等。如果設(shè)計結(jié)果不滿足要求，則設(shè)計人員必須重新考慮和分析模型，以調(diào)整梁柱布置和截面，盡可能達到設(shè)計規(guī)則。

4.6 做好非結(jié)構(gòu)部件設(shè)計

非結(jié)構(gòu)部件包括內(nèi)隔墻和外圍墻，其設(shè)計可以執(zhí)行以下步驟：①控制建筑框架和填充墻之間的連接，從而使填充墻成為主要建筑結(jié)構(gòu)的一部分。對于墻壁連接，可以使用柔性連接。②附著在建筑樓與屋面結(jié)構(gòu)的，必須做好非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接處理，以免在地震中造成損壞。③加強了幕墻裝飾膠合板與建筑物主體結(jié)構(gòu)的有效連接，并防止損壞貼面。

4.7 設(shè)置多道抗震防線

①科學(xué)選擇抵御地震的第一道防線。嚴格來說，第一道防線設(shè)置和選型負擔(dān)比較小或者沒有，可以選擇一些比較小的填充墻和豎向支撐墻就可以承重。嘗試選擇盡可能小的軸向壓縮設(shè)計，通常具有較高軸向壓縮力的框架柱不適合第一道防線。但是，根據(jù)施工的約束，只能使用單一的框架系統(tǒng)，該框架的支柱是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗側(cè)力的主要因素，因此應(yīng)選擇“強柱弱梁”設(shè)計。②通過安裝冗余組件可以形成多條抗震防線。建筑物通常使用雙重抗側(cè)力體系：框架-抗震墻、芯筒-框架、內(nèi)墻筒-外框筒、框架-支撐。根據(jù)水平地震側(cè)力，可以依靠支撐或墻體等框架為主要抗震防線。

4.8 選擇合適的地基

自然環(huán)境非常重要，在不同的地質(zhì)條件下，建筑物對地震的反應(yīng)不同。在建造房屋之前，需要選擇適合各種自然環(huán)境的地基。強抗震性是地基最重要的選擇條件之一。在選擇地基時，需要考慮地基的穩(wěn)定性和埋置的深度。地基的穩(wěn)定性使其可以承受高層建筑的壓力而不會滑移，而埋置深度應(yīng)為建筑物的1/15，考慮到地下室的建造，還需要預(yù)留約500 米的深度。為了增加建筑物的抗震性，在建筑建造中需要設(shè)置多道防線就，可以采取許多方法來提高建筑物的抗震性。

4.9 強化建筑底層的抗震能力

根據(jù)與地震有關(guān)的數(shù)據(jù)，不難驗證大部分建筑物倒塌是由于抗震性差所致。通過對底層建筑結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計中存在問題分析和討論，可以集中在兩個方面：第一，底層框架可能無法滿足國家的抗震設(shè)計要求，而是擴充空間以滿足投資者的利益，通過中空設(shè)計增加銷售空間和收益，減少了底層設(shè)計中柱的應(yīng)用數(shù)量，降低了整個建筑物的抗震等級。第二，建筑物臨街問題。一些建筑物經(jīng)常建設(shè)在街道旁邊。臨街部分主要旨在提高商業(yè)街使用的整體效率，大多數(shù)只有承重柱，沒有承重墻，因此建筑物承重能力大大下降。發(fā)生強烈地震，建筑物可能會因為支撐應(yīng)力過大導(dǎo)致斷裂，使建筑物向臨街方向傾斜或倒塌，發(fā)生較大事故。為了解決上述問題，最佳解決方案是加固環(huán)建筑粱圈以及構(gòu)造柱的方式，以提高建筑抗震性能[5]。

5 結(jié)束語

由于中國是地震災(zāi)害頻發(fā)的國家，因此建筑工程中必須重視建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計，以減少地震災(zāi)害造成的破壞，有效地確保人民的生命和財產(chǎn)安全，通過分析和整合與抗震設(shè)計有關(guān)的技術(shù)和經(jīng)驗，有效提高建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震性能，保障中國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。如何做好建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計值得我們不斷探索與研究的重要課題。