淺談土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震研究

任宇霞 唐玉嬌 張靜

【摘要】隨著人類對(duì)地球資源的開(kāi)采，尤其是地底深部資源的不斷開(kāi)采，同時(shí)由于地殼的不斷移動(dòng)，造成全球的地震頻發(fā)，因?yàn)榈卣饚?lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡時(shí)有發(fā)生，為了避免因?yàn)榻ㄖ锝Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定造成的抗震能力不足而造成損失，本文從抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則、選擇抗震體系類型，以及抗震概念設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本點(diǎn)這三個(gè)方面對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震進(jìn)行研究和闡述。

【關(guān)鍵詞】土木工程；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；抗震

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有了很大的發(fā)展。因此在對(duì)土木工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要加入對(duì)建筑物的抗震性能的相關(guān)設(shè)計(jì)，從而控制建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，使土木工程有更高的安全保障。所以對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震研究是一件非常有意義的事情。

二、抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則

1.建筑場(chǎng)地選擇的基本原則

場(chǎng)地條件是造成建筑物震害的重要原因，因此在選擇建筑物場(chǎng)地時(shí)，工程師應(yīng)該注意掌握?qǐng)龅氐墓こ痰刭|(zhì)、地震活動(dòng)和地震地質(zhì)等會(huì)影響工程的因素，并結(jié)合工程的實(shí)際需要，對(duì)抗震有利、不利和危險(xiǎn)地段做出綜合評(píng)價(jià)。選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，例如平坦、開(kāi)闊的堅(jiān)硬場(chǎng)地土；避開(kāi)對(duì)建筑抗震不利的地段，當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，要采取有效的抗震措施。

2.建筑體型的確定原則

建筑物體型應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，以減少地震作用產(chǎn)生的形、應(yīng)力集中及扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

3.選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)布置應(yīng)具備多道抗震防線，多道設(shè)置抗震防線是為了防止由于地震的連續(xù)性對(duì)建筑物帶來(lái)的多次沖擊，以提高建筑物的防震能力。

結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和耗能能力，避免地震對(duì)抗震結(jié)構(gòu)體系的破壞，同時(shí)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度需分配合理，避免薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)。而一旦薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn)，就要采取有效的加強(qiáng)措施。

4.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理

考慮到結(jié)構(gòu)可能在地震中會(huì)變形，建筑幕墻等應(yīng)采用可靠的連接方法，加強(qiáng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件件的預(yù)埋件錨固部位，承受來(lái)自建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶給建筑主體的震力。墻體材料方面要優(yōu)先考慮輕質(zhì)材料。剛性護(hù)墻沿縱向宜均勻?qū)ΨQ布置，與主體連接可靠，才能適應(yīng)結(jié)構(gòu)向不同方向的位移。

三、選擇抗震體系類型

合理選擇建筑的抗震結(jié)構(gòu)體系決定了建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。具體而言，應(yīng)注重以下三方面的設(shè)計(jì)：

第一，建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則就是結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有必要的贅余度、良好的變形能力和內(nèi)力重分配的功能，地震中，即使一部分構(gòu)件退出工作，其余部分構(gòu)件仍能承擔(dān)起豎向荷載，避免整體建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

第二，建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)具有清晰明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和恰當(dāng)合理的地震作用傳遞路徑。在這過(guò)程中，豎向建筑構(gòu)件的布置，應(yīng)盡量使豎向建筑構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的壓應(yīng)力水平接近均勻；樓屋蓋梁體系的布置，應(yīng)盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱上去；轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系的布置，應(yīng)盡量做到使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳遞來(lái)的垂直重力荷載通過(guò)轉(zhuǎn)換層一次至二次轉(zhuǎn)換。另外，建筑的整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系也必須明確，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)一般由框架、簡(jiǎn)體、剪力墻、支撐等組成，它們宜盡量連續(xù)貫通。

第三，建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)具有合理適度的強(qiáng)度和剛度。宜具有合理恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度分布，防止和避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形集中或應(yīng)力集中；建筑的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)基本不被破壞，底層柱底的塑性鉸宜形成晚，應(yīng)當(dāng)使柱、梁端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能地分散；對(duì)于可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取適當(dāng)措施提高抗震能力。

四、抗震概念設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本點(diǎn)

1.震感強(qiáng)烈的地震在自然災(zāi)害中破壞性非常大。近年來(lái)，頻繁的地震災(zāi)害造成了巨大的損失，抗震概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所占的比重也越來(lái)越大，研究水平也大大提高，這就需要建筑設(shè)計(jì)師們更加精細(xì)的進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。因此,應(yīng)當(dāng)針對(duì)地震形態(tài),制定結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的原則,并保證其靈活的運(yùn)用,使建筑物具有可靠的抗震性能。

①需要簡(jiǎn)練的形狀。第一，設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)練精細(xì)可以使結(jié)構(gòu)一目了然，而且也更加容易清晰明了的對(duì)各個(gè)構(gòu)件的受力情況進(jìn)行分析，這樣就能在受力數(shù)據(jù)的分析中保證并大大提高了精準(zhǔn)程度。其次,簡(jiǎn)單的建筑構(gòu)造還減輕了地震對(duì)建筑物的破壞,減少了工程整體的薄弱環(huán)節(jié),提高了建筑物的整體抗震能力。

②均勻的進(jìn)行豎向的設(shè)計(jì)。豎向的均勻在設(shè)計(jì)過(guò)程中是必須要第一個(gè)考慮的，設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于建筑橫隔層，其上下結(jié)構(gòu)比例的豎向收進(jìn)尺寸必須要精確把握，為了分隔層稱重均勻達(dá)標(biāo)，一定要對(duì)豎向受力進(jìn)行具體的分析。必須要整齊規(guī)則的開(kāi)設(shè)洞口，使剛度與強(qiáng)度在整體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行提升與增強(qiáng)，確保不會(huì)因?yàn)橥蝗坏耐饬顩r造成剛度的突然變化，是整體結(jié)構(gòu)造成扭曲。

③進(jìn)行合理有效的整體設(shè)計(jì)。按照建筑要求進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，避免基礎(chǔ)因?yàn)樵O(shè)計(jì)問(wèn)題使得承載能力的剛度強(qiáng)度無(wú)法達(dá)標(biāo)，可靠穩(wěn)定的連接上部的構(gòu)件。對(duì)柱體、基礎(chǔ)、隔板、樓蓋基礎(chǔ)的鏈接位置要保證充足的抗力和剛度，所有的部件應(yīng)當(dāng)牢固并緊密的連接和協(xié)同在一起，在水平和豎向的抗震性能上一定要進(jìn)行增強(qiáng)。

④合理整齊的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。結(jié)構(gòu)規(guī)則能保證建筑結(jié)構(gòu)有一個(gè)對(duì)稱的整體布局,包括立體剛度對(duì)稱和外形對(duì)稱,提高建筑抗側(cè)力。并且保證質(zhì)量對(duì)稱,能使建筑物均衡抵御外力,很好的避免重心偏離,從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.重視結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

第一，當(dāng)下國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，大大提高了科技知識(shí)的水平。當(dāng)今的社會(huì)分工已經(jīng)越來(lái)越細(xì)致，在這種狀態(tài)下的企業(yè)，對(duì)復(fù)雜冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的計(jì)算包括運(yùn)作整體系統(tǒng)，手工與思維已經(jīng)漸漸被計(jì)算機(jī)所取代，這往往使非規(guī)范性的應(yīng)用方式被人們忽視。因此,概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要性被重新提取出來(lái),更受愈來(lái)愈多建筑行業(yè)學(xué)者的強(qiáng)烈關(guān)注。此外，高層建筑結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而地震發(fā)生時(shí)的動(dòng)力也非常不確定，這樣就更會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的誤差。所以，概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中更應(yīng)該被重視。

第二，合理性與實(shí)際性是概念設(shè)計(jì)的兩大特點(diǎn)，僅僅只是計(jì)算數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)資料是無(wú)法滿足一個(gè)立體的實(shí)物的建筑物的設(shè)計(jì)，要滿足這一條件只有靠概念設(shè)計(jì)的實(shí)施。概念設(shè)計(jì)主要是經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)理念的整體架構(gòu),向人們呈現(xiàn)出一份比較真實(shí)的、適用的客觀實(shí)體,從而優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。比如,結(jié)構(gòu)平面或者豎向出現(xiàn)嚴(yán)重不規(guī)則或整體性差,那么僅僅按現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算水平,很難保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。

運(yùn)用有效的手段來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震的性能。經(jīng)過(guò)對(duì)大量地震災(zāi)害建筑損壞的實(shí)例分析和統(tǒng)計(jì)整理，通過(guò)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，專家們才歸納出建筑抗震概念設(shè)計(jì)理念。在建筑抗震設(shè)計(jì)中，抗震概念設(shè)計(jì)是十分重要的一項(xiàng)，必須要非常重視。

第一，地震的外力能量在建筑物傳遞的過(guò)程中所經(jīng)的傳遞與吸收的途徑，一定要進(jìn)行合理的布局，要確保構(gòu)件雙向抗側(cè)力體系的形成，就必須要確保支柱和墻與梁的中軸線在同一個(gè)平面上。

第二，抗震結(jié)構(gòu)一定要按照抗震等級(jí)來(lái)采用相應(yīng)的措施，對(duì)梁和柱還有墻的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)分別處理，在地震發(fā)生時(shí)應(yīng)當(dāng)達(dá)到三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)置防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，保證建筑的結(jié)構(gòu)安全可靠。同時(shí)也需要確保在地震來(lái)臨時(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)保持良好的承載力與延展性。建筑的延展性必須要得到強(qiáng)化，合理有效的分布構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，確保地震能量能被有效的吸收。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中如果要保證節(jié)點(diǎn)基本不被破壞，那么框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要使同層各個(gè)柱的兩端屈服歷程加長(zhǎng)。要較晚的形成底層柱的柱底塑性鉸，分散梁和柱端的塑性鉸，這樣才能是抗震能力在整體結(jié)構(gòu)上有效的體現(xiàn)出來(lái)。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，土木工程作為建筑行業(yè)中的重要工程，有著極其重要的地位。在土木工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震研究的進(jìn)行對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能和穩(wěn)定性有著非常重要的作用。所以相關(guān)工作人員要重視結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計(jì)，從而更好地表現(xiàn)抗震理念并進(jìn)行實(shí)行，促進(jìn)和發(fā)展當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性能。

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