論建筑物結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

沈春艷

0 引言

地震災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)的破壞性非常強大，會導(dǎo)致建筑物的承重構(gòu)件失去應(yīng)有的作用。概念設(shè)計在建筑物抗震設(shè)計中的應(yīng)用，不是具體的某種算法，而是貫穿于設(shè)計中的每個細節(jié)，例如方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算等，需要工作人員對其進行全面的分析和研究。良好的概念設(shè)計能夠提高建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震性能時，且更加注重設(shè)計理念的應(yīng)用，能為設(shè)計人員今后的工作提供更多的思路。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的現(xiàn)狀

1.1 地震造成地面運動非常復(fù)雜

由于地震所造成的地面運動是非常復(fù)雜的，它主要是在由縱波和橫波共同作用下所產(chǎn)生的結(jié)果。在震中區(qū)，縱波會使地面上下顛動，橫波橫坡則會讓地面水平晃動。由于縱波傳播的速度比較快，衰減也比較快，橫波傳播速度比較慢，衰減也比較慢，因此離震中比較遠的地方，上下跳動感覺不是非常明顯，但是卻能感覺到水平晃動。

1.2 地震導(dǎo)致地面運動不穩(wěn)定

由于受到技術(shù)水平的限制，無法明確抗震計算的依據(jù)，當?shù)卣饋砼R時，震波通過震源傳到了地球的表面，再經(jīng)過巖石的折射，在土層中進行了非線性的傳播。這個過程是非常復(fù)雜和多變的，會嚴重造成地面的運動不穩(wěn)定，而且不同的震源所產(chǎn)生的地震加速度差別也非常大。到目前為止我國的大地震基本上都超出了預(yù)定的防震強度，造成極其嚴重的影響和損失。因此如果設(shè)計人員只是單純的根據(jù)設(shè)防烈度進行抗震設(shè)計，則很難保證人們的生命財產(chǎn)安全。

1.3 地震對建筑結(jié)構(gòu)的破壞過程十分復(fù)雜

地震發(fā)生過程中建筑物結(jié)構(gòu)的破壞是不斷變化和改動的，過程十分復(fù)雜，尤其是建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形或者扭轉(zhuǎn)造成結(jié)構(gòu)的強度和內(nèi)力分布遭到破壞。設(shè)計人員在進行抗震設(shè)計時容易忽略計算理論和程序?qū)ㄖ锏挠绊?，?dǎo)致計算結(jié)果與實際情況反差過大，由此可以看出單純的根據(jù)抗震結(jié)果進行抗震設(shè)計師并不安全。此時設(shè)計人員可以將概念設(shè)計應(yīng)用其中，結(jié)合計算結(jié)果共同完成抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，更好地地提高建筑物的抗震能力。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的原則

設(shè)計人員在進行建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計時，要遵循以下三個原則：

（1）保證結(jié)構(gòu)的整體性，在建筑工程中，建筑物的整體性非常重要，設(shè)計人員不僅要考慮凝聚和傳遞慣性力的子結(jié)構(gòu)，還要保證這些結(jié)構(gòu)的抗震能力符合實際要求，特別是當豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜而且存在差異時，設(shè)計人員要在整個建筑物上通過使用抗側(cè)分子結(jié)構(gòu)共同合作，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

（2）盡量簡化建筑結(jié)構(gòu)，在地震的作用下，建筑物的結(jié)構(gòu)只有足夠簡單、直接才能確保地震作用更加合理，設(shè)計人員在進行結(jié)構(gòu)位移和模型的分析時才能更加清晰，通過相應(yīng)的解決措施，提高建筑物的抗震效果；

（3）保證建筑剛度，設(shè)計人員可以通過合理的結(jié)構(gòu)布置來提高建筑物的抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)的剛度在控制結(jié)構(gòu)變形的同時，還能降低地震的作用。當建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)很大改變時，就會產(chǎn)生重力二階效應(yīng)，從而降低建筑物抗震效果的可靠性。除此之外設(shè)計人員還要重點考慮結(jié)構(gòu)的均勻性，以免地震時結(jié)構(gòu)在樓層之間的豎向出現(xiàn)問題。

3 抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用

3.1 確定建筑物的平立面布置

設(shè)計人員在進行建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時首先要進行建筑物的平立面布置，合理的結(jié)構(gòu)布置不僅能夠提高建筑物的抗震效果，同時還能保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此設(shè)計人員必須嚴格按照相關(guān)規(guī)范進行布置，以免當?shù)卣饋砼R時出現(xiàn)應(yīng)力過于集中、扭曲或者塑性變形等問題。通常情況下要求建筑物的平立面布置要對稱，而且質(zhì)量和剛度要均勻，避免出現(xiàn)樓蓋錯層的情況，因為對稱結(jié)構(gòu)的建筑物在發(fā)生地震時比較不容易遭到破壞。在實際設(shè)計時，設(shè)計人員可以從以下兩個方面入手：

（1）不設(shè)置抗震縫，在進行建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析時，要根據(jù)局部應(yīng)力、變形集中以及扭轉(zhuǎn)等情況對建筑物的影響進行充分的了解與分析，并采取最科學合理的措施進行處理。

（2）設(shè)置抗震縫，設(shè)計人員可以將建筑物劃分為很多個結(jié)構(gòu)單元，結(jié)合抗震設(shè)防的烈度以及材料的種類等信息內(nèi)容來設(shè)置寬度，保證伸縮縫和沉降縫的設(shè)置滿足防震縫的要求。另外設(shè)計人員可以采用不規(guī)則的平面類型進行布局，例如在地震區(qū)的高層建筑，可以采用矩形、梯形或者三角形等均勻變化的圖形，也能起到提高建筑物抗震效果的作用。

3.2 選擇合適的建筑地點

科學合理地選擇建筑地點為后期抗震設(shè)計的成功奠定了基礎(chǔ)，由于地震的作用力相對比較強，會造成承載力降低或者地基土液化，影響地基的穩(wěn)定性，造成建筑物出現(xiàn)開裂、傾斜或者倒塌等問題，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。因此設(shè)計人員要選擇對建筑物抗震更加有利的地方開展建筑工程。如果實際情況無法避開不利地段，設(shè)計人員要根據(jù)實際情況進行有針對性的地基改善措施，保證地基的安全和穩(wěn)定。但是無論任何情況，都不能在抗震危險地段上施工，我國目前的基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中明確表示，如果結(jié)構(gòu)單元中存在個別位置由于地質(zhì)原因而采用天然地基或樁基的行為是不可取的，尤其是不能在地震的高發(fā)位置建設(shè)建筑物。

設(shè)計人員在施工之前務(wù)必判斷出施工現(xiàn)場屬于哪種情況，例如建筑物抗震危險地段主要是指當發(fā)生地震時，極容易出現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流等問題的地段，或者震中的烈度為Ⅷ度以上的發(fā)震斷裂帶，該位置在地震時很有可能會出現(xiàn)地表錯位的問題。不利于抗震的地段可以從地形上和土質(zhì)上兩方面進行區(qū)分，在地形上主要是條狀突出的山嘴，孤立的山包與山梁的頂部，河岸與邊坡的邊緣等。在土質(zhì)方面主要是指軟弱土、易液化土、斷層破碎帶等地段。設(shè)計人員要選擇有利的抗震地點，主要是位置比較開闊平坦而且非常堅硬的場地或者密實均勻的硬場地土，能夠減少輸入建筑物的地震能量，緩解地震對建筑物的破壞情況，而且更加便于施工，因此有利地點的選擇能夠更好地保證建筑物的抗震效果。

3.3 選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)

設(shè)計人員在選擇抗震結(jié)構(gòu)時，需要從建筑物的重要程度、地基基礎(chǔ)、經(jīng)濟適用性等各個方面進行判斷，一般情況下需要滿足以下幾個條件：

（1）具有非常詳細的計算簡圖，同時有科學合理的傳遞內(nèi)力途徑，并且結(jié)構(gòu)的強度、耗能以及變形能力均滿足建筑要求。

（2）設(shè)置多道地震防線，以免部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題而影響整個建筑物的抗震效果。在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，也要注意剛度和強度，避免局部形成薄弱部位或塑性變形集中。

（3）要控制好兩個主軸之間結(jié)構(gòu)的動力特性，設(shè)計人員在選擇連接構(gòu)件時，要保證構(gòu)件節(jié)點的強度不低于連接構(gòu)件的強度，同時確保整個裝配結(jié)構(gòu)連接的整體性。

設(shè)計人員在選擇抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時，首先務(wù)必保證砌體結(jié)構(gòu)滿足施工要求，合理設(shè)置混凝土圈梁和構(gòu)造柱，以此來提高抗震效果。其次在設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者混凝土構(gòu)件時，務(wù)必選擇或控制好尺寸，以免影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，尤其是混凝土構(gòu)件，需要配置好相應(yīng)的箍筋以及縱向鋼筋，避免其在彎曲之前被破壞。

3.4 提升結(jié)構(gòu)的延性

建筑物的抗震水平如果低于地震等級，非常容易出現(xiàn)由于脆性而被破壞導(dǎo)致建筑物倒塌的情況，尤其是高層建筑，此類問題更加嚴重和突出。因此設(shè)計人員在進行建筑物設(shè)計時，要重視提高結(jié)構(gòu)的延性，增強建筑物的抗震能力。為了提高建筑物的延性，設(shè)計人員可以從以下幾個方面入手：

（1）材料。設(shè)計人員要選擇延性比較好的材料，這類材料在發(fā)生非彈性變形或反復(fù)彈性變形時，延性不會下降。

（2）桿件。桿件的延性控制主要包括塑性變形、能量收納和耗散等方式來提高建筑結(jié)構(gòu)的延性。

（3）構(gòu)件。構(gòu)件的延性主要是指某個構(gòu)件的塑性變形以及能量消耗的能力，設(shè)計人員通過對墻體、框架延性的控制來提高整體結(jié)構(gòu)的延性。

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)的延性主要是指建筑物的抗倒塌能力和塑性變形的能力，設(shè)計人員可以通過各種方法來增加建筑結(jié)構(gòu)的延性，從而提高建筑物的抗震效果。

3.5 提升結(jié)構(gòu)的整體性

建筑物的整體性能夠保證其在地震的作用之下處于更加協(xié)調(diào)的狀態(tài)，避免出現(xiàn)倒塌問題。設(shè)計人員可以采取以下措施來提升結(jié)構(gòu)的整體性：

（1）采用鋼結(jié)構(gòu)作為支撐結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)水平的不斷發(fā)展在提高建筑物抗震效果方面也起到了很大的作用，不僅能夠提升建筑框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，還能抵抗水平荷載，提高建筑物的整體強度。與傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)支撐的穩(wěn)定性更好，設(shè)計人員可以將窗臺下面到下層窗戶頂部的位置作為支撐部分，科學合理地設(shè)置支撐，確保結(jié)構(gòu)符合支撐要求。

（2）抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的選擇，設(shè)計人員可以根據(jù)建筑物的實際情況選擇抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，例如建筑物的桁架高度和單樓層相同時，設(shè)計人員可以采取交錯桁結(jié)構(gòu)來設(shè)置上下樓層，保證各單元的靈活性。在鋼結(jié)構(gòu)中使用該結(jié)構(gòu)使梁柱彎矩較小，側(cè)向位移也較小，當?shù)卣饋砼R時會降低建筑物的損失。

3.6 做好非結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計

非結(jié)構(gòu)部件主要是指在建筑結(jié)構(gòu)的分析中不需要考慮側(cè)向荷載和重力荷載的部件，例如內(nèi)隔墻、外圍墻等。雖然這些部件在建筑結(jié)構(gòu)中不參與荷載的分析，但是在地震來臨是時也會起到一定的作用，因此非結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計與處理也非常關(guān)鍵。為了提高建筑物非結(jié)構(gòu)部件的處理，設(shè)計人員可以采取以下方式，首先要加強建筑框架和填充墻之間的聯(lián)系，使得填充墻成為建筑主體抗震結(jié)構(gòu)的組成部分。對于墻體連接的部分，設(shè)計人員可以使用柔性連接的方式，來削弱墻柱的聯(lián)系，以免發(fā)生嵌固作用。其次是針對附著在建筑樓面和屋面結(jié)構(gòu)部分的情況，設(shè)計人員需要針對此類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)的連接處理，以免地震發(fā)生時增加人員傷亡的概率。

3.7 重視計算校核

隨著現(xiàn)代化技術(shù)水平的不斷提高，計算機技術(shù)在建筑物抗震概念設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在實際方案設(shè)計中，設(shè)計人員可以通過計算機軟件來輔助設(shè)計和校核。計算機軟件的應(yīng)用可以幫助設(shè)計人員進行方案的校核，并且提高校核工作的效率，但是由于計算機軟件的種類比較多，設(shè)計人員要對其適用范圍和條件等情況進行全面的了解，才能起到事半功倍的作用。不僅如此設(shè)計人員要重視計算校核問題，務(wù)必進行反復(fù)的計算和認證，才能將結(jié)果應(yīng)用到方案設(shè)計中，提高設(shè)計方案的科學性。

4 抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的注意事項

4.1 建筑結(jié)構(gòu)的豎向設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的豎向設(shè)計直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的整體性，因此在進行豎向設(shè)計時，設(shè)計人員務(wù)必保證結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和均勻性，不能采用大范圍的內(nèi)收。同時為了保證建筑結(jié)構(gòu)中心位置的穩(wěn)定性，設(shè)計人員要在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化時，改變建筑物的豎向結(jié)構(gòu)，提高建筑物的整體性。

4.2 框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)中的框架和剪力墻結(jié)構(gòu)主要是為了充分發(fā)揮出剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力效果，剪力墻所承受的作用遠比框架結(jié)構(gòu)要大。當?shù)卣饋砼R時，剪力墻在剛度變化的影響下會發(fā)生不可控的狀況，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)會承受一定的作用力，因此在實際設(shè)計中，設(shè)計人員要根據(jù)相應(yīng)的原理保證框架能夠承受住荷載的變化。

4.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震計算

構(gòu)件的抗震計算主要是通過不同的地震參數(shù)對地震的內(nèi)力和作用進行分析與研究，充分考慮不同構(gòu)件之間的作用力效果以及抗震性能的一系列參數(shù)，設(shè)計人員可以根據(jù)不同的抗震規(guī)定來驗算構(gòu)件的截面。除此之外設(shè)計人員還要對建筑倒塌的問題和相對薄弱的地方進行驗算，保證構(gòu)件的抗震性能符合建筑要求。

4.4 混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級的設(shè)計

抗震等級是設(shè)計人員確定抗震分析以及抗震措施的標準，設(shè)計人員可以根據(jù)不同的地震烈度、建筑類別、結(jié)構(gòu)體系以及建筑高度等內(nèi)容進行確定，而且抗震等級的劃分還需要充分考慮技術(shù)要求與經(jīng)濟條件。當前隨著設(shè)計方法的不斷優(yōu)化與改進，人們對建筑水平的要求也在不斷提高，因此抗震等級也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。概念設(shè)計中在確定抗震等級時，要充分考慮各種因素，要比傳統(tǒng)的劃分方式更加嚴謹和合理，例如設(shè)計人員可以利用框剪結(jié)構(gòu)體系來降低框架的抗震等級，以此來提高建筑物的抗震效果。

5 結(jié)語

地震給人們生命財產(chǎn)安全所造成的損失是非常嚴重的，因此在建筑工程中，需要提高對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重視。設(shè)計人員將抗震概念設(shè)計應(yīng)用到建筑工程中，要合理地選擇建筑場地，采取科學的支撐結(jié)構(gòu)完成建筑物的整體布局任務(wù)，以此來提升建筑物的抗震性和安全性，并保證建筑物的美觀，為用戶提供更多的安全感。同時設(shè)計人員還需要注意遵守建設(shè)規(guī)范，提升抗震效果的同時延長建筑物的使用壽命，為我國的建筑工程做出更多的貢獻。