建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程概述

徐偉

【摘 要】地震作為自然界的一種特殊現(xiàn)象，其發(fā)生不可預(yù)知且破壞力巨大，由此引起的建筑物倒塌、人員傷亡已經(jīng)深深刺痛了人類敏感的神經(jīng)。多年來，許多學(xué)者、專業(yè)都圍繞建筑結(jié)構(gòu)抗震開展了大量卓有成效的研究，取得了很多成果。我國(guó)近幾年大震頻發(fā)，大量的災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，合理的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)措施可以在很大程度上降低地震所引起的建筑物損害。本文筆者結(jié)合自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作實(shí)踐中，從抗震概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算以及結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施三個(gè)方面出發(fā)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，以期能對(duì)同仁有所幫助。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)；抗震構(gòu)造

近年來，世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震的研究也愈發(fā)重視，相關(guān)的抗震理論、抗震設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)方法也愈加成熟?，F(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論已經(jīng)由最初的基于經(jīng)驗(yàn)的彈性設(shè)計(jì)理論轉(zhuǎn)變?yōu)榛诜蔷€性理論的彈塑性理論，允許結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服產(chǎn)生一定量的非彈性變形從而起到消耗一部分地震能量的目的。總的來看，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)過程可以概括為：抗震概念設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施這三個(gè)方面。

1 抗震概念設(shè)計(jì)

1.1 抗震概念設(shè)計(jì)的含義

概念設(shè)計(jì)不需依靠數(shù)值計(jì)算進(jìn)行，而是以結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、結(jié)構(gòu)體系整體與分體力學(xué)關(guān)系分析、結(jié)構(gòu)震害試驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)等為基礎(chǔ)，總結(jié)出相關(guān)的宏觀經(jīng)驗(yàn)用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)方案的確定、結(jié)構(gòu)的布置以及計(jì)算簡(jiǎn)圖和計(jì)算結(jié)果的處理。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，抗震概念設(shè)計(jì)主要用于解決一些較為復(fù)雜難以進(jìn)行計(jì)算或規(guī)范中無具體規(guī)定的問題。

1.2 抗震概念設(shè)計(jì)的重要性

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)值計(jì)算的同時(shí)進(jìn)行必要的概念設(shè)計(jì)意義重大。首先，地震的發(fā)生具有隨機(jī)性以及不可預(yù)測(cè)性，地震動(dòng)也具有十分明顯的隨機(jī)性和復(fù)雜性，而地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)相應(yīng)的非常復(fù)雜，僅靠數(shù)值計(jì)算難以準(zhǔn)確把握相關(guān)規(guī)律；其次，當(dāng)前背景下的抗震設(shè)計(jì)理論都建立在一定假設(shè)基礎(chǔ)上，并不能完結(jié)構(gòu)的地震受力、變形以及破壞過程。

因此，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中有必要進(jìn)行相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)，這樣有利于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性。

1.3 抗震概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展

20世紀(jì)70年代以來，大量的震害經(jīng)驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中“計(jì)算設(shè)計(jì)”存在一定的缺陷，有必要開展相應(yīng)的“概念設(shè)計(jì)”。隨后，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展在我國(guó)歷年的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中得到鮮明體現(xiàn)，結(jié)構(gòu)工程師逐步將概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際工程，并取得了良好的效果。

傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，焦點(diǎn)都放在如何提高結(jié)構(gòu)的承載能力，不可避免地引起結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)以及配筋率的提高，相應(yīng)的建筑的造價(jià)也提高。結(jié)構(gòu)配筋率提高，結(jié)構(gòu)承載能力雖有提高，但是考慮到結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的剛度成正比，而增加結(jié)構(gòu)的配筋卻提高了結(jié)構(gòu)的剛度，因此，加強(qiáng)了地震作用效應(yīng)。概念設(shè)計(jì)從降低地震作用效應(yīng)出發(fā)來避免這個(gè)矛盾而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。最典型的方法就是隔震消能法，這種方法的根本是依靠設(shè)置在基礎(chǔ)與主體之間的柔性隔震層來加大結(jié)構(gòu)的阻尼，抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，減少結(jié)構(gòu)的加速度、位移，最終降低結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。相關(guān)的理論分析證明通過這種概念設(shè)計(jì)方法可以將結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)降低4成，值得大力應(yīng)用實(shí)踐。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于現(xiàn)代建筑的結(jié)構(gòu)形式也越趨復(fù)雜化。為了滿足人民群眾的需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須提高對(duì)概念設(shè)計(jì)重要性的認(rèn)識(shí)，不斷探索先進(jìn)的計(jì)算理論，同時(shí)注重借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，讓建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足功能性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性的要求。

2 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算工作包括地震作用計(jì)算與結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算這兩方面任務(wù)。

2.1 地震作用計(jì)算

除8、9度時(shí)的大跨度結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)以及9度時(shí)的高層建筑需要計(jì)算豎向地震作用外，一般結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)僅僅需要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在其2個(gè)主軸方向的水平地震作用下的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，同時(shí)認(rèn)為不同方向的結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)完全由相應(yīng)方向的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。若建筑結(jié)構(gòu)中含有交角超過15o的斜交抗側(cè)力構(gòu)件，則應(yīng)進(jìn)行各抗側(cè)力構(gòu)件所在方向的水平抗震計(jì)算。此外，對(duì)于質(zhì)量、剛度分布不具備對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)還應(yīng)驗(yàn)收結(jié)構(gòu)構(gòu)件在雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而調(diào)整地震作用法也是考慮其他特殊結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的有效途徑。

目前常用的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法主要包括底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法以及時(shí)程分析法三種。其中，前兩種方法是基本方法，而時(shí)程分析法主要用于對(duì)嚴(yán)重不規(guī)則、特別重要性或是高度較高的高層建筑進(jìn)行抗震補(bǔ)充計(jì)算。其中，時(shí)程分析法（又稱動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法）是在地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，求得結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震歷程中的動(dòng)態(tài)反應(yīng)的方法。具體實(shí)施時(shí)，選取與建筑場(chǎng)地相適應(yīng)的若干地震動(dòng)加速度記錄或人工地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線波作為輸入結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)方程的地震作用，由輸入地震動(dòng)初始狀態(tài)逐步積分至地震結(jié)束。通過積分轉(zhuǎn)換最終不僅可以得到結(jié)構(gòu)的速度、加速度反應(yīng)時(shí)程曲線，還可以進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等時(shí)程曲線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以據(jù)此對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力與變形驗(yàn)算。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算

通常情況下，結(jié)構(gòu)抗震變行驗(yàn)算方法根據(jù)多遇地震作用與罕遇地震作用分為以下2種類型：

2.2.1 多遇地震作用

在驗(yàn)算不同結(jié)構(gòu)物在多遇地震作用下的變形量時(shí)，對(duì)其樓層內(nèi)最大的彈性層間位移作如下限定：

△Ue≤[Qe]h

2.2.2 罕遇地震作用

在罕遇地震作用下，下列結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算：①高大單層廠房的橫向排架（8度地震III、Ⅳ類場(chǎng)地或與9度地震）；②鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（7、8、9度地震且結(jié)構(gòu)ξy<0.5）；③鋼結(jié)構(gòu)（高度150m以上）；④結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中有隔震與消能減震措施的的建筑結(jié)構(gòu)。

3 抗震構(gòu)造措施

3.1 砌體結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)主要通過采取一定的構(gòu)造措施來達(dá)到抗震目的。常用的抗震構(gòu)造措施包括設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱以及對(duì)墻體進(jìn)行加固等。在磚混結(jié)構(gòu)中設(shè)置圈梁與構(gòu)造柱，使二者相互連接組成封閉骨架，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能，最終提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力。構(gòu)造柱通常設(shè)置在結(jié)構(gòu)的外墻轉(zhuǎn)角、內(nèi)外墻交接部以及樓梯間的四角位置。而加固墻體則需要將墻體原有抹灰鑿除，取而代之采用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿抹灰或采用鋼筋網(wǎng)加砂漿抹灰，通過這種方式增強(qiáng)磚混結(jié)構(gòu)的水平承載力。

3.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造一方面通過對(duì)構(gòu)件截面h/b、承重柱u =N/（A·fc）以及構(gòu)件ρmin等指標(biāo)進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)，另一方面在填充結(jié)構(gòu)中布置拉結(jié)筋、按規(guī)定在填充墻中設(shè)置構(gòu)造柱、短柱全高加密布箍等。

4 結(jié)語

總而言之，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的過程，必須從全局出發(fā)、通盤考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)做好結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算以及建筑結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施的控制，這樣才能盡最大限度地保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，有利于避免或降低結(jié)構(gòu)的安全性能。

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[責(zé)任編輯：丁艷]