建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究

粟波

摘 要：抗震設(shè)計是建筑設(shè)計中的一個相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。要想使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計能夠取得良好的效果，不僅要遵循相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，更應(yīng)該不斷對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計進行科學(xué)合理的創(chuàng)新，力求達到最佳的抗震效果。這樣，一旦遇到不可預(yù)測的地震，一方面可以保障建筑物的安全，減少建筑物的損害，另一方面，也是最重要的一方面就是能夠在很大程度上保障人們的生命財產(chǎn)安全。因此，建筑企業(yè)一定要加大對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計的重視程度。本文針對抗震設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)中的重要作用，指出完整的抗震設(shè)計包括了抗震計算的分析和概念的設(shè)計兩個方面，并從這兩個方面簡單地對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行了分析。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計；抗震設(shè)計

引 言

我國是世界上地震災(zāi)害最嚴重的國家之一。目前，我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計正處在不斷成熟發(fā)展的時期，就在這半個世紀中，其伴隨著動力學(xué)、地震學(xué)、結(jié)構(gòu)試驗和結(jié)構(gòu)分析等方面的進步經(jīng)歷了從無到有的轉(zhuǎn)變，在震害調(diào)查和強震觀察方面借鑒學(xué)習(xí)了許多國家的先進經(jīng)驗。如何結(jié)合我國在社會發(fā)展和地震環(huán)境等方面的實際情況，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計進行不斷的提高與完善，促進其不斷朝著更安全、更經(jīng)濟、更合理的方向發(fā)展，是目前建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工作者的首要任務(wù)。本人將結(jié)合多年的實際工作經(jīng)驗，談?wù)勗趶氖陆ㄖY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面的心得與思考。

1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的內(nèi)容

眾所周知，地震的發(fā)生是不確定的、復(fù)雜的，即使是非常精確的儀器在一般情況下也做不到萬無一失地預(yù)測出地震的發(fā)生時間、范圍和強度。建筑物作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)方面存在著很多相對復(fù)雜的演變。在建筑抗震理論并不能達到嚴密科學(xué)的今天，單靠計算很難使建筑具備良好的抗震能力。因此，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計并不能僅僅依靠計劃設(shè)計，還需要我們結(jié)合工程抗震的實際經(jīng)驗和建筑工程抗震的相關(guān)理論，從概念設(shè)計的方面來面對建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震能力和反映，加大對建筑物總體抗震能力的概念設(shè)計的重視程度。

1.1 選擇對抗震有利的場地

在對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的時候，應(yīng)該依據(jù)工程的需要，掌握工程地質(zhì)的相關(guān)資料和地震的活動情況，進行綜合性的評價。適宜選擇相對開闊平坦、均勻密實的中硬土或者是堅硬土等有利的地段；避開一些液化土、軟弱土、邊坡邊緣和河岸，平面分布上的狀態(tài)、成因、巖性等明顯存在不均勻情況的土層等等不利的地段；同一個結(jié)構(gòu)單元不適合設(shè)在性質(zhì)完全不同的地基土上，也不適合部分采用樁基，部分采用天然的地基，當(dāng)?shù)鼗幸夯?、軟弱粘性土、嚴重不均勻的土層或者是新近的土層時，應(yīng)該加強基礎(chǔ)的剛度和整體性。

1.2 布置合理的平立面

建筑物的結(jié)構(gòu)布置和建筑布局在很大程度上決定了建筑物的動力性能。建筑結(jié)構(gòu)的布置基本符合了抗震的原則，建筑布局做到合理簡單，就能確保房屋具備優(yōu)良的抗震性能。另外，建筑物的平立面應(yīng)該布置的對稱、規(guī)則，在剛度和質(zhì)量方面的變化要均勻，避免樓層錯層的現(xiàn)象。對于體形相對比較復(fù)雜的建筑物應(yīng)該設(shè)置合理的變形縫，在對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該進行內(nèi)力調(diào)整和水平地震作用的計算，并且應(yīng)該對相對比較薄弱的環(huán)節(jié)利用有效的抗震構(gòu)造的相關(guān)措施，對建筑物的高寬比和高度進行嚴格的控制。

1.3 結(jié)構(gòu)的選型和布置

對結(jié)構(gòu)進行選型因該依據(jù)建筑的設(shè)防烈度、場基、房屋高度、材料、基礎(chǔ)、場地、建筑的重要性和施工等方面的因素，經(jīng)過經(jīng)濟和技術(shù)的條件來進行比較和綜合確定。如果僅從抗震的角度來考慮，一種相對較好的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該具備以下的性能：①較大的延性系數(shù)；②強度/重力的比值較大；③較好的勻質(zhì)性；④正交各向同性；⑤連續(xù)性、整體性的構(gòu)件連接，并且能夠發(fā)揮材料全部的強度。在進行結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)該遵循以下幾個原則：①平面布置應(yīng)該盡量做到對稱，這樣能夠是構(gòu)件各個部位的力分配相對均勻；②豎向布置應(yīng)該盡量做到均勻，使其強度與豎向的剛度變化相對均勻，避免薄弱層的出現(xiàn)，并且盡量降低房屋的重心。

1.4 設(shè)置多道抗震的防線

設(shè)置多道抗震的防線就是人為地對某些豎向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進行加強，提高其可靠度；并有意識地設(shè)置一些相對薄弱的環(huán)節(jié)，促使其在強烈地震的作用下退出工作。將地震動作的周期和建筑物的自振周期區(qū)分開來，在一定程度上緩解建筑物的共振現(xiàn)象，也就相應(yīng)地減輕了地震對建筑物的破壞作用。一般情況下，設(shè)置抗震防線要遵循以下的原則：①對少負擔(dān)或者是不負擔(dān)重力荷載的豎向的填充墻或者是支撐進行優(yōu)先選擇，或者選擇軸壓相對較小的實墻筒體、抗震墻等構(gòu)件來作為第一道防線的抗側(cè)力的構(gòu)件。②建筑物利用雙重抗側(cè)力的體系，建筑物中使用贅余桿件。當(dāng)建筑物遭受強烈地震時，一方面，采用結(jié)構(gòu)中使用的贅余桿件的變形和屈服來對輸入的地震能量進行消耗；另一方面，利用贅余桿件的推出共醉來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的周期變化，避免地震時間長、持續(xù)作用而引起的共振效應(yīng)。圖1為進行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時常常設(shè)置的第一道防線：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)連梁。

1.5 剛度、延性和承載力的匹配

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的抗力相對較高時，總體的延性的要求可以適當(dāng)?shù)慕档停环粗?，?dāng)建筑結(jié)構(gòu)的抗力相對較低時，總體的延性的要求就應(yīng)該適當(dāng)提高。地震時建筑物受到的地震作用的大小和其動力的特性緊密相關(guān)，應(yīng)該具備合理的剛度、承載力的分布和與之相匹配的延性。一般情況下，想要提高建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，都需要提高工程的造價并且降低建筑結(jié)構(gòu)的延性。要想使得建筑物具備很強的抗倒塌的能力，最好的辦法是使得建筑結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件都具備相當(dāng)高的延性，但是在實際的工程建設(shè)中卻很難做到這一點。有選擇地對結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵桿件和重要構(gòu)件的延性進行提高是切實可行的辦法，相對來說還比較經(jīng)濟。所以，在對建筑結(jié)構(gòu)的體系進行確定時，應(yīng)該找到一種使得結(jié)構(gòu)的剛度、延性和承載力相匹配的辦法。圖2為增加建筑結(jié)構(gòu)剛度的方法圖。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的計算方法

2.1 我國結(jié)構(gòu)抗震的計算流程

對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進行分析開始于1920年左右，幾十年來伴隨著地震觀測資料的不斷積累與完善，抗震理論的不斷加深和計算技術(shù)的不斷進步，結(jié)構(gòu)地震的反應(yīng)的分析方法也在不斷地改進和發(fā)展。我國現(xiàn)行的是兩階段、三水準(zhǔn)的設(shè)計方法，抗震設(shè)計的流程圖如圖3所示。

2.2 基于性態(tài)的抗震設(shè)計

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計的方法是在設(shè)計開始時以力來做設(shè)計的變量，就是以強度作為設(shè)計中的主要控制的參數(shù)。經(jīng)歷了數(shù)次地震之后，我們不難發(fā)現(xiàn)：建筑結(jié)構(gòu)之所以在強烈地震的作用下會倒塌是因為其耗能的能力和變形的能力不夠。而基礎(chǔ)性態(tài)的抗震設(shè)計時由美國學(xué)者提出的，初次提出是在1990年初，這種設(shè)計的提出使得設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在未來的地震作用下能夠達到要求的性能水平，明確地對建筑的性能要求進行了規(guī)定，并且可以利用不同的手段和方法去實現(xiàn)這些性能上的要求?；谛詰B(tài)的抗震設(shè)計理論的內(nèi)容是：依據(jù)建筑物的用途和重要性，首先對建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)期性能目標(biāo)進行確定，在依據(jù)不同的性能目標(biāo)對抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提出不同的要求，然后又按照相應(yīng)的設(shè)防目標(biāo)來設(shè)計結(jié)構(gòu)，并且加以相應(yīng)的抗震構(gòu)造的措施，使得設(shè)計出來的建筑物在未來的地震中具有預(yù)期的功能。基于性能的抗震設(shè)計研究為我國抗震設(shè)計規(guī)范的完善和地震工程的發(fā)展提出了新的要求與方向，它必將成為我國抗震設(shè)計的發(fā)展趨勢。

3 結(jié) 語

總之，地震是一種不可避免的、較難預(yù)知的自然現(xiàn)象，只有建筑結(jié)構(gòu)工程師對抗震設(shè)計做好計算與分析，才能將地震帶給我們的危害降到最低。建筑結(jié)構(gòu)工程師在做好抗震設(shè)計的計算和分析的同時，也應(yīng)該重視建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，注重對抗震設(shè)計的方法的總結(jié)。

參考文獻

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