結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)及抗震新技術(shù)在民用建筑中的應(yīng)用

史飛，劉楊，張軍

(西南石油大學(xué)建筑工程學(xué)院，四川成都610500)

1 概念設(shè)計(jì)概述

概念是在頭腦中形成的反映對(duì)象本質(zhì)屬性的思維形式，它是將所感知事物的共同本質(zhì)特點(diǎn)抽象出來(lái)加以概括而形成，概念設(shè)計(jì)是伴隨設(shè)計(jì)的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。如果僅僅按照規(guī)范和一般的抗震程序來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要使建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)得以符合“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全使用”的原則是困難的。因此，我們必須把重點(diǎn)放在如何針對(duì)不同的建筑空間及環(huán)境要求，優(yōu)化選擇結(jié)構(gòu)的整體方案上。這就是我們所要說(shuō)的建筑結(jié)構(gòu)抗震方案設(shè)計(jì)中的“概念設(shè)計(jì)”

所謂的概念設(shè)計(jì)一般是指不經(jīng)過計(jì)算，尤其在難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)關(guān)系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從總體的角度來(lái)確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的近似估算方法，可以在建筑抗震設(shè)計(jì)的方案階段迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。這種方法雖有一定誤差，但它概念清楚、定性準(zhǔn)確、手算簡(jiǎn)單快捷，能很快選擇出最佳方案和確定主要構(gòu)件的基本尺寸大小。同時(shí)，也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。在建筑結(jié)構(gòu)方案抗震設(shè)計(jì)中運(yùn)用“概念設(shè)計(jì)”的思想，要求結(jié)構(gòu)工程師不僅僅能精確地計(jì)算分析一個(gè)已經(jīng)給定的分體系或構(gòu)件，更重要的是要能夠?qū)Y(jié)構(gòu)總體系的承載能力和性能，以及總體系與各基本分體系(或構(gòu)件)之間的力學(xué)關(guān)系有透徹的認(rèn)識(shí)，從而運(yùn)用整體概念去考慮總體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算關(guān)系

新修訂的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2001)也重視概念設(shè)計(jì)。因?yàn)殡S著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物隨著人口的增加越建越密集，物資財(cái)富的積累也越來(lái)越多。而且，我們的房子越做越大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，如果發(fā)生地震災(zāi)害，對(duì)我們所造成的損失也會(huì)越來(lái)越大。然而隨著計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，有些設(shè)計(jì)人員越來(lái)越迷信計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果，而不注重結(jié)構(gòu)的整體分析，好象計(jì)算結(jié)果滿足要求了，這個(gè)建筑物就安全了，如果不滿足，就加大配筋和斷面，結(jié)果梁越做越大，柱越做越肥，這樣做的結(jié)果，不僅造成很大的浪費(fèi)，而且簡(jiǎn)單地加大單個(gè)構(gòu)件往往改變了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分配，不能確保結(jié)構(gòu)安全。這種教訓(xùn)是很多的，比如在1976年唐山地震中，天津第二毛紡廠三層的框架廠房因偏重于局部構(gòu)部件的加固，沒有重視對(duì)結(jié)構(gòu)總體抗震性能的分析，造成不合理的加固使抗震薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移而倒塌。因此，一個(gè)只會(huì)計(jì)算而不會(huì)分析的結(jié)構(gòu)工程師不是一個(gè)稱職的結(jié)構(gòu)工程師，只迷信計(jì)算結(jié)果而不注重概念設(shè)計(jì)，甚至有可能把能夠避免或能減少損失的自然災(zāi)害變成實(shí)際人為的災(zāi)害。地震災(zāi)害是比較常見的自然災(zāi)害，也是破壞力很大的自然災(zāi)害，設(shè)計(jì)什么樣的結(jié)構(gòu)最利于抗震，作為一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該有一個(gè)清醒的概念。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的主要思想

概括地說(shuō)，一個(gè)有利于抗震的建筑，首先必須有一個(gè)有利于抗震的建筑場(chǎng)地，它的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有盡可能規(guī)則的平立面;結(jié)構(gòu)體系具有合理而不間斷的傳力途徑;同時(shí)應(yīng)確保結(jié)構(gòu)的整體性，受到地震作用的時(shí)候構(gòu)件能夠共同工作，按設(shè)計(jì)的要求達(dá)到極限狀態(tài);構(gòu)件的破壞具有一定的先后順序，必要的時(shí)候犧牲次要的結(jié)構(gòu)來(lái)消耗地震能量，以保護(hù)主要結(jié)構(gòu)，使人的生命和財(cái)產(chǎn)的損失降低到最小的程度。

3.1 避開不利地質(zhì)區(qū)域

我們都知道，萬(wàn)丈高樓從地起。建筑物能否有效地抵抗地震破壞，首先需要有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的地基基礎(chǔ)，因此，我們?cè)谶x擇建筑場(chǎng)地的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動(dòng)情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對(duì)抗震有利、不利和危險(xiǎn)地段作出綜合評(píng)價(jià)。對(duì)不利地段，應(yīng)提出避開要求;當(dāng)無(wú)法避開時(shí)應(yīng)采取有效措施;不應(yīng)在危險(xiǎn)地段建造甲、乙、丙類建筑。地震除了直接造成結(jié)構(gòu)破壞以外，還可能引起地表的錯(cuò)動(dòng)與地裂，地基土的不均勻沉降，滑坡和粉、砂土液化等，造成建筑物的間接破壞。一個(gè)好的建筑場(chǎng)地，不僅能使建筑物有效地抵抗地震的破壞，而且還能減少投資，降低成本。

3.2 協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)計(jì)

抗震概念設(shè)計(jì)不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員所能完全包辦的，建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)具備一定的抗震知識(shí)。但由于專業(yè)分工不同，結(jié)構(gòu)工程師往往會(huì)比建筑師更注重分析地震作用，所以，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)利用自己所掌握的知識(shí)，協(xié)助建筑方案設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑物平立面進(jìn)行合理的調(diào)整，使之既功能齊全，美觀大方，符合建筑設(shè)計(jì)的要求，又能使結(jié)構(gòu)盡量規(guī)則，符合抗震設(shè)計(jì)的要求。具體地說(shuō)，就是要求建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面宜規(guī)則、對(duì)稱，并具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。

3.3 建筑平、立面外形選擇

歷次震害調(diào)查及力學(xué)分析表明，建筑平、立面外形尺寸突變處、質(zhì)量分布突變處、豎向抗側(cè)力構(gòu)件截面尺寸和材料強(qiáng)度突變處、由于應(yīng)力集中都容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的震害，而剛度中心與質(zhì)量中心的偏離容易引起建筑物的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生比較嚴(yán)重的震害;整體性差的建筑物，如抗側(cè)力結(jié)構(gòu)水平或豎向不連續(xù)(單跨或不連續(xù)框架、豎向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換)、抗側(cè)力構(gòu)件錯(cuò)位(包括混凝土框架、混凝土抗震墻、砌體結(jié)構(gòu)抗震橫墻)，由于贅余度偏少或傳力路線不順暢，抗震性能就會(huì)大幅度降低。對(duì)于不規(guī)則的建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。對(duì)于嚴(yán)重不規(guī)則的方案，不應(yīng)采用。如果一個(gè)建筑物因?yàn)榉桨冈O(shè)計(jì)不合理而造成不必要的浪費(fèi)，甚至形成安全隱患，那么，這個(gè)設(shè)計(jì)就是失敗的，因此，建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性對(duì)于抗震是相當(dāng)重要的。

3.4 結(jié)構(gòu)體系選擇

建筑結(jié)構(gòu)確定以后，還應(yīng)該合理地選擇結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場(chǎng)地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合比較確定結(jié)構(gòu)體系。新的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2001)要求結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途經(jīng)，使設(shè)計(jì)人員更容易掌握和控制結(jié)構(gòu)所受的地震作用，更容易發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的錯(cuò)誤;在抗震設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)正確分析力的傳遞途徑，合理的分配調(diào)整內(nèi)力，加強(qiáng)容易遭受地震破壞的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震能力，避免部分結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力;應(yīng)具備必要的抗震承載能力，良好的變形能力和消耗抗震能量的能力，這樣利用結(jié)構(gòu)的變形消耗掉部分地震的能量，可以大大減輕地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞;宜有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。薄弱部位是抗震能力最弱的地方，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)使該部位的實(shí)際承載力和設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性承載力之比在總體上保持一個(gè)相對(duì)均勻的變化，避免由于內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中，同時(shí)還要防止加強(qiáng)局部而忽視整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度的協(xié)調(diào)，使它有足夠的變形能力又不發(fā)生薄弱部位的轉(zhuǎn)移;宜有多道抗震防線。在很多情況下，由于地震作用的不確定性和反復(fù)性，地震破壞是不可避免的，適當(dāng)處理構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，使其形成多道防線，是增加結(jié)構(gòu)抗震能力的重要措施。

以著名美籍華裔設(shè)計(jì)師林同炎設(shè)計(jì)的尼加拉瓜首都馬那瓜美洲銀行大樓為例，該樓18層、61 m高。由于采取了多道防線，剛?cè)峤Y(jié)合的概念設(shè)計(jì)思想，通過在總體系中預(yù)設(shè)薄弱環(huán)節(jié)作為強(qiáng)烈地震作用下可被破壞但不影響整體安全的耗能構(gòu)件保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。在1972年馬那瓜強(qiáng)烈地震作用下，該樓僅出現(xiàn)少量裂縫，經(jīng)過簡(jiǎn)單維修加固后至今仍可使用，而周圍大量建筑物倒塌，5 000多人死亡。美洲銀行大樓在馬那瓜地震中的表現(xiàn)充分證實(shí)了概念設(shè)計(jì)思想的創(chuàng)造性和前瞻性。說(shuō)明以承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，在罕遇的強(qiáng)烈地震作用下，通過充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性與耗能能力，仍可使結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力。

概念設(shè)計(jì)不同于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)計(jì)算，不可能死套規(guī)范，但它對(duì)整個(gè)建筑物的抗震性能起著決定性的作用，進(jìn)而會(huì)影響工程的造價(jià)和施工的難易程度，因此我們必須重視它。當(dāng)然，強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要并不是結(jié)構(gòu)計(jì)算就不重要，計(jì)算結(jié)果的滿足是結(jié)構(gòu)安全的保證。我們強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)，是為了讓建筑物能更合理、更有效地抵抗地震作用，用最低的成本，設(shè)計(jì)出更為安全的建筑。

4 建筑物抗震的新技術(shù)

4.1 隔震技術(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用隔震技術(shù)是國(guó)際上熱門的工程抗震新技術(shù)。它通過把隔震消能裝置(如橡膠隔震墊)安放在結(jié)構(gòu)物底部和基礎(chǔ)(或底部柱頂)之間，把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)“隔開”。這樣，改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力作用，明顯地減輕結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)，達(dá)到“以柔克剛”的效果。國(guó)內(nèi)外大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，隔震體系一般可使結(jié)構(gòu)水平地震加速度反應(yīng)下降60%左右，從而消除或有效減輕結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部人員的安全性。隔震體系具有很大的垂直承載力(50～2 000 t)及很大的垂直壓縮剛度，而其水平變形剛度較小(0.25～1.8 kN/mm)，水平極限變位值較大(10～50 cm)，它具有足夠大的初始剛度，以抵抗風(fēng)荷載和輕微地震，當(dāng)強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，又能自由柔性滑動(dòng)，而變形過大時(shí)，剛度回升，具有保護(hù)和限位作用，鋼板夾層橡膠隔震墊具有較大的復(fù)位能力，在多次地震中自動(dòng)瞬時(shí)復(fù)位。同時(shí)，它耐久性能好，一般使用壽命可在70年以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般民用建筑物50年使用壽命的要求。1994年1月17日，美國(guó)洛杉磯大地震中，該市相距不遠(yuǎn)的兩個(gè)醫(yī)院，一個(gè)是隔震的，地震時(shí)醫(yī)師護(hù)士照常工作;另一個(gè)是不隔震的，損壞厲害，一直無(wú)法恢復(fù)工作。1995年1月17日，日本神戶大地震，該市的西部郵政大樓和松村研究所大樓等隔震房屋經(jīng)受了地震的考驗(yàn)，房屋結(jié)構(gòu)安全完好，儀器、設(shè)備、裝修等絲毫無(wú)損。根據(jù)其特性，一般來(lái)說(shuō)隔震技術(shù)主要適用于較重要的低層和多層建筑，如醫(yī)院、學(xué)校、商場(chǎng)、科研機(jī)構(gòu)以及重要的指揮職能單位。

4.2 消能減震技術(shù)

建筑結(jié)構(gòu)的消能減震技術(shù)方法是指在結(jié)構(gòu)的某些部位(如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件等)設(shè)置消能阻尼裝置或元件，通過消能裝置產(chǎn)生摩擦非線性滯回變形耗能來(lái)耗散或吸收地震能量以減小主體結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，以達(dá)到減震抗震的目的。這種方法主要用于高層或超高層建筑。隔震和消能減震技術(shù)目前在日本、美國(guó)已有了一定數(shù)量的應(yīng)用，并在震害中有較好的表現(xiàn)。我國(guó)從九十年代開始，也以試點(diǎn)的方式在一些工程中應(yīng)用了這些技術(shù)并取得了一些好的經(jīng)驗(yàn)。新的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已給出了隔震和消能減震技術(shù)工程應(yīng)用的指導(dǎo)性意見，標(biāo)志著這些新技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用性階段。

由于隔震和消能減震體系能使建筑上部結(jié)構(gòu)承受的地震作用大幅度降低，使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的斷面、配筋減小，構(gòu)造及施工簡(jiǎn)單，從而可節(jié)省造價(jià)。

5 總結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和抗震技術(shù)也提出了更高的要求。發(fā)展先進(jìn)計(jì)算理論，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，加快新型高強(qiáng)、輕質(zhì)、環(huán)保建材的研究與應(yīng)用，使建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟(jì)是當(dāng)務(wù)之急。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)方法，可以在建筑抗震設(shè)計(jì)的方案階段就迅速有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，從而使方案概念清晰和定性正確，避免在后期設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

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