芻議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震理念設(shè)計(jì)

唐華東

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

目前我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，這要求建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要更嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范。作為整個(gè)項(xiàng)目工程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也漸漸顯露出一些問題，行業(yè)也迎來了新的挑戰(zhàn)。在整個(gè)建筑行業(yè)，能夠借助解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與項(xiàng)目實(shí)際施工過程中的矛盾來進(jìn)行一定調(diào)和，在一定程度上能夠保證項(xiàng)目的推進(jìn)進(jìn)度和質(zhì)量水平。在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)工作的過程中，必須實(shí)現(xiàn)考慮好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，嚴(yán)格遵照國(guó)家相應(yīng)的規(guī)范和科學(xué)要求來合理設(shè)計(jì)執(zhí)行每個(gè)工作步驟。必須嚴(yán)格遵照保護(hù)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、安全美觀等基本原則，確保設(shè)計(jì)階段能夠科學(xué)高效的進(jìn)行。近幾年，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，最嚴(yán)重的自然災(zāi)害就是地震和水災(zāi)了，這些災(zāi)難給人們的身體安全和財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到了阻礙。因此，建筑工程在設(shè)計(jì)的過程中，要結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)做好相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)，提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，才能有效的達(dá)到抗震效果，進(jìn)而提升建筑質(zhì)量，保障人身和財(cái)產(chǎn)的安全性，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的必要性

地震是現(xiàn)在自然災(zāi)害中頻發(fā)的災(zāi)害，其損害程度很強(qiáng)，嚴(yán)重威脅人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。正因如此，在高層建筑中，地震構(gòu)造總是備受關(guān)注。確保建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和建筑結(jié)構(gòu)安全，是現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)工作中的重中之重。由于樓層越高，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)就越是困難，其結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算也就變得很不穩(wěn)定，而且在發(fā)生地震時(shí)，這種不確定因素就會(huì)被激發(fā)出來。對(duì)于建筑物的地震反應(yīng)有很多方面的需求，例如，建材的組合，材質(zhì)的特性，以及部件的組合與延伸。對(duì)于房屋的脆弱部位，也要采用強(qiáng)度較高的材質(zhì)和較強(qiáng)的抗震構(gòu)造。另外，也要考慮到不同的防震建筑，要用更好的材料來加固。正如在框架與剪力墻組合的結(jié)構(gòu)中，必須要有足夠的耐震能力，而且需要更好地調(diào)節(jié)其剪力墻與框架，或是增加地震作用。從本質(zhì)上來說，由于對(duì)地震產(chǎn)生的年代和破壞機(jī)制的認(rèn)識(shí)不夠透徹，而且有些建筑在建造的時(shí)候會(huì)受到氣候的影響，在進(jìn)行地震仿真的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)偏差，所以在進(jìn)行地震仿真的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)大量的不完整的資料，這就給高層建筑帶來了巨大的危險(xiǎn)。最重要的是，在對(duì)高層建筑進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)和要求是非常高的，建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師們一定要充分考慮到現(xiàn)有的地震災(zāi)害多發(fā)情況，在結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且要因地制宜對(duì)抗震的設(shè)計(jì)進(jìn)行多種多樣的更新，對(duì)建筑進(jìn)行安全性、穩(wěn)定性加強(qiáng)，以便更加安全和可靠，達(dá)到抗震功能，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有效推進(jìn)了城市的發(fā)展[1]。汶川地震建筑震害如圖2 所示。

圖2 汶川地震建筑震害

2 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

在建筑設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)將承載力和穩(wěn)定性作為重要內(nèi)容考慮在內(nèi)，也就是對(duì)構(gòu)件剛性和柔性之間轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的考驗(yàn)。在鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)中，窗下墻體通常會(huì)出現(xiàn)水平或者斜向裂縫；螺旋支架配置在混凝土柱中時(shí)，層間位移角較大時(shí)，基礎(chǔ)混凝土仍完好，鋼柱抗力強(qiáng)，但當(dāng)一層有長(zhǎng)柱和短柱時(shí)，短柱子損壞比較嚴(yán)重。采用框架結(jié)構(gòu)時(shí)，下層樓板為開放式框架空間，下層磚墻也受到嚴(yán)重破壞，采用鋼筋混凝土柱板結(jié)構(gòu)體系時(shí)，柱基被穿孔破壞，由于樓板或樓板橫向位移大，導(dǎo)致各樓層樓板倒塌。遵循強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件等結(jié)構(gòu)構(gòu)架基本準(zhǔn)則，對(duì)建筑物的薄弱位置進(jìn)行抗震能力設(shè)計(jì)。這是一棟高層建筑最基本的設(shè)計(jì)思路和必要功能。

在高層建筑中，主要采用框架或框架抗震墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)柱容易發(fā)生剪切破壞。如果高層建筑采用抗震墻結(jié)構(gòu)，破壞程度會(huì)比較??；如果采用下框架結(jié)構(gòu)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞下加強(qiáng)筋。因此，在設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)時(shí)不僅需要考慮建筑整體的構(gòu)狀，還需要考慮抗震各種結(jié)構(gòu)的清晰明了。在對(duì)抗震防線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)與設(shè)計(jì)延性相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)就需要延性較好的構(gòu)件來進(jìn)行合作，要多布設(shè)抗震防線，以此來預(yù)防余震的發(fā)生。注意構(gòu)件間的弱強(qiáng)關(guān)系。因?yàn)楦邔咏ㄖ幕A(chǔ)與低層建筑相比，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有所削弱，所以保證建筑直立要求后，也要滿足這個(gè)建筑的防側(cè)移要求，使得在設(shè)計(jì)時(shí)考慮更多的規(guī)則性和均勻性。在地震時(shí)能夠抵抗震動(dòng)，把剛體與撓性的結(jié)構(gòu)緊密的融合起來，從而達(dá)到適度的緩沖地震的能力[2]?？蚣艿钠茐男问饺鐖D3 所示。

圖3 框架的破壞形式

3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)工作發(fā)現(xiàn)，存在相當(dāng)一部分設(shè)計(jì)人員難以實(shí)時(shí)掌握新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)和新要求，自主學(xué)習(xí)能力差，總習(xí)慣使用原有或者已經(jīng)廢止的規(guī)范要求，這顯然也會(huì)直接影響他們進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)的思路，甚至是使設(shè)計(jì)不合標(biāo)準(zhǔn)，這實(shí)際上對(duì)于項(xiàng)目的質(zhì)量也有直接的影響。建筑的抗震設(shè)計(jì)不僅要求設(shè)計(jì)者有高水平的理論，還需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和建筑安全的意識(shí)，通過抗震分析，確保高層建筑的安全，符合抗震設(shè)計(jì)要求。

3.1 建筑結(jié)構(gòu)抗震體系的合理選擇

在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何正確地選取結(jié)構(gòu)的地震系統(tǒng)，是進(jìn)行地震反應(yīng)時(shí)必須認(rèn)真研究的問題。另外，房屋的抗震設(shè)計(jì)方案的選取也是影響其安全、經(jīng)濟(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。在建筑物的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)里面，必須有清晰的、精確的震動(dòng)路線。建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的是要運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中，是需要指導(dǎo)項(xiàng)目的實(shí)施與推進(jìn)，因此要求具體、簡(jiǎn)單與靈活。在考慮整體之后，還必須依靠機(jī)構(gòu)清晰的原則，這樣才能在這個(gè)龐大的設(shè)計(jì)體系里面維持各種構(gòu)件的功能性，對(duì)機(jī)構(gòu)之間的功能有一個(gè)良好的連接，遇到問題時(shí)能夠迅速知道問題出在哪里，保證了建筑抗震的便攜性和有效性。能夠結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)整，然后選擇相類似且更佳的方案[3]。確定的傳遞路線，確保各部件在結(jié)構(gòu)的抗震加固中能夠高效的銜接與承重。在此基礎(chǔ)上，要盡量保證構(gòu)件在垂直方向上的受力，盡量減少垂直不連續(xù)性的發(fā)生。

3.2 結(jié)構(gòu)變形的控制

對(duì)于高層建筑的總抗震能力，結(jié)構(gòu)變形對(duì)抗震能力有直接影響。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，建筑物在橫向振動(dòng)的影響下側(cè)向移動(dòng)，導(dǎo)致建筑物的結(jié)構(gòu)變形和破壞。因此，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到結(jié)構(gòu)在地震作用下的局部破壞和變形，從而使結(jié)構(gòu)免受到較大的破壞。在研究建筑結(jié)構(gòu)的性質(zhì)時(shí)要做好工作，然后有針對(duì)性地采取加固措施，盡量減少建筑結(jié)構(gòu)在地震影響下的變形。需要注意負(fù)載的適當(dāng)值。在設(shè)計(jì)多層建筑物時(shí)，使用獨(dú)立的基座可以消除通用基礎(chǔ)主要承重部分中的弱粘性土層，從而使其成為典型的多層建筑物，高度不超過35m，無須計(jì)算基礎(chǔ)的抗震性。但是，對(duì)于不在地震區(qū)或?qū)儆诘蛯咏ㄖ锏亩鄬咏ㄖ铮枰_保輸入風(fēng)荷載。其次，建筑結(jié)構(gòu)周期性折減系數(shù)，計(jì)算的地震剪切力較小，因此，我們要求要縮短計(jì)算過程中的周期。最后，若使用下部剪切法進(jìn)行計(jì)算，要求多層建筑具有更均勻的剛度，要對(duì)結(jié)構(gòu)塑性變形的情況予以考量[4]。結(jié)構(gòu)變形如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)變形

3.3 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性設(shè)計(jì)

經(jīng)驗(yàn)表明，中間層的橫向偏移角是評(píng)估多層建筑損壞程度的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，這也是為什么國(guó)家對(duì)這里有明確規(guī)定的原因。建筑物的構(gòu)造系統(tǒng)必須具有足夠的剛性和強(qiáng)度，并且具有良好的剛性布局和均勻的布局。在考慮剛性和穩(wěn)定性問題時(shí)，第一就是要思考構(gòu)成整體建筑的構(gòu)件之間是否能有效在地震中減緩地震的能量，并且本身的結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞和改變。必須采取一定的措施來控制結(jié)構(gòu)的橫向移動(dòng)，通常是通過減少柱間距和框架桁架間距，引入抗彎和剪力雙側(cè)向力的系統(tǒng)，安裝剛性把手、臺(tái)階和更換垂直支撐[5]。將部件轉(zhuǎn)換為三維部件，圍欄結(jié)構(gòu)涉及抗震，傾斜立面的使用，機(jī)身的扭轉(zhuǎn)，雙曲線圓柱體的使用，增加房屋的有效寬度以控制橫向運(yùn)動(dòng)。在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固，并采用適當(dāng)?shù)募庸谭椒?，以達(dá)到合理的強(qiáng)度與剛性，從而達(dá)到整體的剛度均衡，從而增強(qiáng)建筑物的整體地震性能。

3.4 合理選擇建筑的材料

我國(guó)鋼鐵工業(yè)規(guī)模較大，鋼結(jié)構(gòu)加工制造能力在世界上也名列前茅。在規(guī)劃高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)慎重考慮建筑材料的選擇。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，為了分析建筑材料的參數(shù)，特別是其抗震參數(shù)，不能只考慮材料的承載能力而忽略材料的其他參數(shù)，抗震設(shè)計(jì)必須保證建筑材料滿足承載能力要求[6]。在進(jìn)行選材時(shí)，要考慮到不同地區(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。

3.5 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)圖標(biāo)記清楚

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的過程中，必須要秉承著嚴(yán)格認(rèn)真的工作態(tài)度，不能有絲毫的馬虎大意。在設(shè)計(jì)過程中，工作人員必須進(jìn)行事先檢查，并對(duì)項(xiàng)目施工過程中存在的一些細(xì)節(jié)與信息進(jìn)行必要的標(biāo)記與關(guān)注，圖紙信息標(biāo)注要清晰有效便于查找，而實(shí)際施工過程中，要求嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)圖紙來推進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施，因此，如果設(shè)計(jì)出的圖紙當(dāng)中相關(guān)的數(shù)據(jù)信息含糊不清或者標(biāo)記不明，會(huì)直接影響到整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施與推進(jìn)。圖紙的設(shè)計(jì)也需要工作人員進(jìn)行多次檢查與驗(yàn)證。

4 結(jié)語

簡(jiǎn)而言之，受整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化與影響，人們的需求也在不斷地調(diào)整和變化，為了滿足社會(huì)日益增長(zhǎng)的人口需要，建筑物的結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)方面也開始進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，逐漸呈現(xiàn)出多樣化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，因此，對(duì)我們相關(guān)的設(shè)計(jì)人員提出了新的時(shí)代要求，設(shè)計(jì)人員要有高度的責(zé)任感，并在實(shí)踐過程中不斷提升自身的工作能力與綜合素質(zhì)，使自己能夠在工作過程中改正建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足，確保施工的穩(wěn)定性與連貫性。