現(xiàn)代建筑抗震設(shè)計(jì)

潘建

摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加快，高層建筑在城市中相當(dāng)普遍，而高層建筑抗震工作一直是建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。文章先概述現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路，再引出現(xiàn)代建筑的抗震設(shè)計(jì)方法，最后揭秘建筑的加固設(shè)計(jì)，希望可以為建筑工程設(shè)計(jì)人員在今后的高層設(shè)計(jì)工作中提供了一些思路。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)

隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展，抗震設(shè)計(jì)思路也經(jīng)歷了一系列的變化。最初，在未考慮結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力特征，也無(wú)詳細(xì)的地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下，經(jīng)驗(yàn)性的取一個(gè)地震水平作用（0.1倍自重）用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高層抗震設(shè)計(jì)思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗(yàn)到基于非線性理論，從單純保證結(jié)構(gòu)承載能力的“抗”到允許結(jié)構(gòu)屈服，并賦予結(jié)構(gòu)一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉(zhuǎn)變。

1 現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路

在當(dāng)前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路，其主要內(nèi)容可歸結(jié)為：

1.1 合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)的地震作用

一般先以一具有統(tǒng)計(jì)意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強(qiáng)弱標(biāo)志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數(shù)）得到不同的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度（即小震的）來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而確定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)。

1.2 制定有效的抗震措施

制定有效的抗震措施使建筑結(jié)構(gòu)確實(shí)具備設(shè)計(jì)時(shí)采用的R所對(duì)應(yīng)的延性能力。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施（強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎）和抗震構(gòu)造措施。

現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念是基于對(duì)結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究上建立起來(lái)的，其核心是關(guān)系，主要指在不同滯回規(guī)律和地面運(yùn)動(dòng)特征下，結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)與自振周期以及最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)間的關(guān)系。其中R為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡(jiǎn)稱地震力降低系數(shù)；而μ為最大非彈性反應(yīng)位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數(shù)。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)在同一烈度區(qū)的同一類結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)情況取用不同的R，也就是不同的用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地震作用。

2 現(xiàn)代建筑抗震設(shè)計(jì)

2.1 建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

建筑地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指未來(lái)可能施加于建筑結(jié)構(gòu)的地震作用的大小，其直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。某機(jī)構(gòu)認(rèn)為基于建筑結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)理論來(lái)尋求能有效控制建筑結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的所有地震波譜的破壞水準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，根據(jù)不同地震重現(xiàn)期選擇所有可能發(fā)生的對(duì)應(yīng)于不同等級(jí)的地震動(dòng)參數(shù)的波譜，而這些具體的地震動(dòng)參數(shù)被稱為“地震設(shè)防水準(zhǔn)”。建議建筑設(shè)防地震等級(jí)如表1所示。

建筑結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)表示結(jié)構(gòu)在特定的某一地震設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下預(yù)期破壞的最大程度。建筑結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞及由其破壞引起的后果，主要用結(jié)構(gòu)破壞程度、結(jié)構(gòu)功能性和人員安全性來(lái)表達(dá)。不同等級(jí)的抗震性能應(yīng)依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的類型、整體結(jié)構(gòu)、豎向和橫向承載構(gòu)件、結(jié)構(gòu)變形、設(shè)備與裝修和修復(fù)使用等方面加以定義，并應(yīng)該表達(dá)為量化指標(biāo)。建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分為三個(gè)等級(jí)：基本設(shè)防目標(biāo)、重要設(shè)防目標(biāo)和特別設(shè)防目標(biāo)。建筑基本設(shè)防目標(biāo)是一般建筑設(shè)防的最低標(biāo)準(zhǔn)；重要設(shè)防目標(biāo)是醫(yī)院、公安消防、學(xué)校、通訊等重要建筑設(shè)防的最低標(biāo)準(zhǔn)：特別設(shè)防目標(biāo)是包含核材料等特別危險(xiǎn)物質(zhì)的特別重要建筑的最低建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 建筑防震設(shè)計(jì)方法

建筑抗震的概念設(shè)計(jì)指在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著眼于建筑物結(jié)構(gòu)的總體地震的震動(dòng)反應(yīng)，按照建筑結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和破壞過(guò)程，靈活應(yīng)用建筑抗震的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，全面而合理地解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的基本問(wèn)題。

2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多優(yōu)良的特性。有很好的抗震、抗風(fēng)性能。鋼結(jié)構(gòu)整體剛性好、強(qiáng)度高、重量輕、變形能力強(qiáng)，建筑物自重僅為磚混結(jié)構(gòu)的1/5，抗震性能卻是磚混結(jié)構(gòu)的2倍以上，并有很強(qiáng)的抗風(fēng)性能，有效的保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。建筑鋼結(jié)構(gòu)都是由多層水平的樓蓋和豎向的柱、墻等組成。樓蓋主要承受豎向荷載，而建筑豎向的柱、墻等構(gòu)件因?yàn)榻ㄖ叨鹊淖兓?，其組成方式和受力變形。特性結(jié)構(gòu)體系也有明顯的變化。框架、剪力墻及筒體是結(jié)構(gòu)中抵抗豎向及水平荷載的基本單元，由它們及其變體組成了各種結(jié)構(gòu)體系，如框架結(jié)構(gòu)體系、框架-支撐結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻體系、框架-簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)體系等。

2.2.2 建筑設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)置多道抗震設(shè)防體系。由于地震的震動(dòng)往往會(huì)持續(xù)一定時(shí)間，而且震動(dòng)是往復(fù)的。根據(jù)對(duì)地震的大量研究可以看出，建筑物的倒塌通常是由于地震的持續(xù)往復(fù)作用，使建筑物的結(jié)構(gòu)造到破壞，從而喪失了對(duì)建筑物重力荷載的承載能力。所以，建筑抗震規(guī)范提出“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計(jì)思想。建筑柱樁是建筑主要承受重力荷載的構(gòu)件，通過(guò)科學(xué)、合理處理柱與梁之間的強(qiáng)弱關(guān)系，使建筑框架梁在地震中先于柱子屈服，出現(xiàn)了塑性鉸，從而耗散一定的地震能量，柱樁在建筑抗震中退居到第二道抗震設(shè)防體系。剪切破壞屬于力學(xué)的脆性破壞，而彎曲破壞是材料力學(xué)中的延性破壞，破壞后出現(xiàn)塑性鉸，建筑結(jié)構(gòu)還能夠繼續(xù)承載?！皬?qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)思想則使剪切破壞退居到第二道抗震設(shè)防體系。

2.2.3 建筑延性系數(shù)設(shè)計(jì)方法。該方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)建立建筑構(gòu)件的位移延性系數(shù)或建筑截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系，由結(jié)構(gòu)約束箍筋來(lái)保證核心混凝土能夠滿足所要求的極限壓應(yīng)變，從而使建筑構(gòu)件具有所需要的延性系數(shù)。建筑延性包括建筑結(jié)構(gòu)延性、構(gòu)件延性和截面延性三個(gè)方面。

2.2.4 采用能力譜方法進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)。該方法是通過(guò)地震反應(yīng)譜曲線和建筑結(jié)構(gòu)能力譜曲線的疊加來(lái)評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的反應(yīng)特性。反應(yīng)譜是指單自由度體系在給定地震輸入下的加速度譜；能力譜是指通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推的分析，轉(zhuǎn)換得到等效單自由度體系的加速度和位移之間的關(guān)系曲線。能力譜方法由Freeman等提出，經(jīng)過(guò)不斷的完善和革新?！度毡窘ㄖ?biāo)準(zhǔn)法》和美國(guó)ATC-40都采用能力譜法作為基于性能，位移抗震設(shè)計(jì)方法。Chopra提出了將能力譜方法和結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)評(píng)定相結(jié)合的屈服位移能力譜的地震損傷分析方法，增加并強(qiáng)化了能力譜法的實(shí)用性。因此，能力譜法的實(shí)質(zhì)是采用的基于承載力的設(shè)計(jì)方法加位移、變形的能力校核，并依據(jù)能量的設(shè)計(jì)方法。對(duì)抗震設(shè)計(jì)的研究表明地震動(dòng)瞬時(shí)能量在大多數(shù)情況下對(duì)結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)具有決定性作用。但要建立基于能量的有效建筑抗震設(shè)計(jì)框架還需更深入的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑設(shè)計(jì)是建筑杭震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，建筑設(shè)計(jì)與建筑抗震設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。它對(duì)建筑抗震起著重要的基礎(chǔ)作用。一個(gè)優(yōu)良的建筑抗震設(shè)計(jì)，必須是在建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成。為此，要充分重視建筑設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的重要性，在建筑抗震設(shè)計(jì)中更好地發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)應(yīng)有的作用。

參考文獻(xiàn)

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