建筑結(jié)構(gòu)中抗震設(shè)計(jì)問題的闡述

李紅培

摘要：建筑工程體系的問題是宏大、復(fù)雜的，問題可以出現(xiàn)在各個(gè)部門，這就要求各部門的工作人員都要保持合理協(xié)調(diào)性。整體結(jié)構(gòu)體系也是同樣不可單獨(dú)進(jìn)行，在遭受地震作用后它的破壞機(jī)理和破壞過程相應(yīng)的都十分復(fù)雜。由于地震作用的隨機(jī)性、不確定性和復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的基本假定與實(shí)際情況的差異，在結(jié)構(gòu)分析方面不能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，要準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)所遭遇地震的特性和參數(shù)是很難做到的，即存在著不確定性。筆者基于抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及方法進(jìn)行了闡述，希望能成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對建筑物的抗震問題的理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：建筑工程；抗震結(jié)構(gòu)；構(gòu)件設(shè)計(jì)

在建筑工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要盡量的使結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布的均勻，而且使建筑的平面和立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)規(guī)則的感覺。如果平面設(shè)計(jì)的過于復(fù)雜，就會使質(zhì)量和剛度分布的不均勻，在發(fā)生地震時(shí)，就會使建筑物發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，加重地震對房屋的破壞。另一個(gè)影響抗震效果的因素就是結(jié)構(gòu)的整體布置，不規(guī)則的房屋，在地震中更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，而且如果采用的是錯(cuò)落的立面，也會由于高度過高而產(chǎn)生“鞭稍效應(yīng)”。就此，本文對建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇到的相關(guān)問題進(jìn)行了簡要分析。

1 地震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)

1.1 地基方面

①在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高；②地基土液化導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而引起上部結(jié)構(gòu)損壞或整體傾斜；③建造在不利或危險(xiǎn)地段的房屋建筑，因地基破壞導(dǎo)致房屋損壞。④當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場地自振周期相近時(shí)，因共振效應(yīng)破壞程度將加重。

1.2 結(jié)構(gòu)體系方面

①采用“填墻框架”的房屋結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切型破壞；②采用框架一抗震墻體系的房屋結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕；③采用“底框結(jié)構(gòu)”體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用“填墻框架”體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；

1.3 剛度分布方面

①矩形平面布置的建筑結(jié)構(gòu)，電梯井等抗側(cè)力構(gòu)件的布置當(dāng)存在偏心時(shí)，因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重；②采用三角形、L 形等不對稱平面的建筑結(jié)構(gòu)，同樣在地震作用因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重。

1.4 構(gòu)件形式方面

①在框架結(jié)構(gòu)中，通常柱的破壞程度重于梁、板；②鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；③配置螺旋箍筋的混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到較大數(shù)值時(shí)，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；

2 高層建筑抗震設(shè)計(jì)分析方法

2.1 場地和地基的選擇

建筑的場地以及地基的選擇對于高層建筑的抗震能力具有直接的影響，是建筑抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行建筑場地以及地基的選擇時(shí)，應(yīng)該充分的了解當(dāng)?shù)氐牡卣鸹顒忧闆r，對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行科學(xué)的勘察，在收集豐富資料的基礎(chǔ)之上對場地進(jìn)行綜合的分析和評價(jià)，評估當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)計(jì)等級。對于一些不利于抗震設(shè)計(jì)的場地應(yīng)該盡可能的進(jìn)行規(guī)避，而實(shí)在無法規(guī)避的應(yīng)該有針對性的做好相應(yīng)的處理措施。在高層建筑地基選擇過程當(dāng)中應(yīng)該盡可能的選擇巖石或者是其它具有較高密實(shí)度的基土，從而提高建筑地基的抗震能力，盡可能的避開不利于抗震的軟性地基土。對于一些達(dá)不到抗震要求的地基應(yīng)該采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加固和改造，使其能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

2.2 建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

為了保證建筑的可靠性以及其所承載的力量的分布均勻，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，一定要盡量保證建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，并且也要使抗側(cè)力結(jié)構(gòu)盡量保證簡單化。在選擇建筑結(jié)構(gòu)平面布置圖形時(shí)，應(yīng)該選擇較為規(guī)整的圖形，因?yàn)橹挥幸?guī)則的圖形，才能使建筑在面對地怎發(fā)生時(shí)所帶來的承載力的均勻分布。對于不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)平面，應(yīng)該盡量避免，因?yàn)椴灰?guī)則的建筑平面容易造成建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)心與鋼心間的交錯(cuò)，這樣的建筑在面對地震時(shí)，容易產(chǎn)生鋼心距離較大，剛性不足，最終建筑將會面臨倒塌的危險(xiǎn)。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)材料的選取

建筑結(jié)構(gòu)材料的好壞決定著建筑在地震發(fā)生時(shí)的安全性。事實(shí)上，高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是將各個(gè)建筑構(gòu)件的延性整合起來，并對其進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)與把握，其目的就使建筑在面對地震時(shí)能夠安全穩(wěn)定。在選擇建筑鋼筋時(shí)，一定要盡量選擇那些具有較高韌性的材料。對于在垂直方向受力的鋼筋，要采用熱軋鋼筋，以 HRB400 級和 HRB335級為標(biāo)準(zhǔn)，對于箍筋，則是以 HRB335、HRB400 和 HPB235級熱軋鋼筋為佳。在選取建筑結(jié)構(gòu)材料過程中，一定要時(shí)時(shí)考慮材料抗震方面的性能，當(dāng)然，在建筑過程中，建筑成本、造價(jià)控制也是建筑企業(yè)必須要考慮的問題，因此，在對建筑結(jié)構(gòu)材料選取的過程中，一定要找到建筑成本與抗震新性能之間的點(diǎn)，兼顧二者，以期實(shí)現(xiàn)以最少的材料獲取最佳的抗震效果。

2.4 隔震和消能減震設(shè)計(jì)

有些高層建筑對于抗震的要求較為嚴(yán)格，除了要實(shí)現(xiàn)一般的抗震效果外，還有保證隔振、消能等方面的需求。因此，為了達(dá)到這些效果，首先，從場地與地基的角度來看，應(yīng)該選擇具有較高密實(shí)度的地基，因?yàn)楦呙軐?shí)度的地基，可以減輕地震發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的能量給建筑造成的破壞，降低共振發(fā)生幾率。對于不同建筑，其所要求的隔振系數(shù)有所不同，因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要具體問題具體分析，選擇相應(yīng)的隔震支座，并且，也要考慮因風(fēng)力所給建筑帶來的負(fù)荷。對于隔振、消能方面的建筑構(gòu)件的選擇上，盡量采用延性好的材料，使建筑受地震能力帶來的破壞降低。

2.5 抗側(cè)力體形的優(yōu)化

對一般性構(gòu)造的高樓，剛比柔好，采用剛性結(jié)構(gòu)方案的高樓，不僅主體結(jié)構(gòu)破壞輕，而且由于地震時(shí)的結(jié)構(gòu)變形小，隔墻，圍護(hù)墻等非結(jié)構(gòu)部件將得到保護(hù)，破壞也會減輕。提高結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，在地震時(shí)能夠出現(xiàn)的塑性鉸就多，能耗散的地震能量也就越多，結(jié)構(gòu)就愈能經(jīng)受住較強(qiáng)地震而不倒塌。改善結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制，使結(jié)構(gòu)破壞十按照整體屈服機(jī)制進(jìn)行，而不是樓層屈服機(jī)制。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)遵循強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)壓弱拉的原則。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該選定構(gòu)件中軸力小的水平桿件，作為主要耗能桿件，并盡可能使其發(fā)生彎曲耗能。從而使整個(gè)構(gòu)件具備較大的延性和耗能能力

2.6 常用的加固設(shè)計(jì)

為了有效的提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，應(yīng)該根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況采取相應(yīng)的加固措施，在進(jìn)行加固方法選擇的時(shí)候應(yīng)該具體考慮以下幾個(gè)方面的因素：第一，對于一些機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷的情況，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況增加構(gòu)件進(jìn)行加固，或者是采取具有較高抗震能力的構(gòu)件代替原有構(gòu)件。對于需要提高承載力或結(jié)構(gòu)整體剛度的情況，可以增設(shè)構(gòu)件，擴(kuò)大原截面，設(shè)置套箍等方法；很多建筑結(jié)構(gòu)整體性連接達(dá)不到抗震的標(biāo)準(zhǔn)，可以有針對性的對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這樣可以分散地震力，減少破壞。建筑中的一些與建筑結(jié)構(gòu)不相關(guān)的構(gòu)件，在地震時(shí)有可能倒塌而造成危害，應(yīng)該適當(dāng)進(jìn)行加固。

3 結(jié)語

總之，要使建筑工程真正達(dá)到能夠減輕以至避免地震災(zāi)害，必須把抗震結(jié)構(gòu)工作自場址選擇、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量監(jiān)督和竣工驗(yàn)收貫穿始終。在抗震設(shè)計(jì)中，新型結(jié)構(gòu)體系形式復(fù)雜，分析難度大，全面細(xì)致的考慮結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件和每個(gè)組成部分，成為今后新型結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和考慮的重點(diǎn)。同時(shí)，要嚴(yán)格按《二階段》的設(shè)計(jì)步驟和《三個(gè)水準(zhǔn)》的設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不得馬虎。此外，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要全面了解其抗震設(shè)計(jì)問題及抗震規(guī)范要求，充分體現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)意圖，使建筑物防御地震的能力得到保障，從而減輕地震災(zāi)害給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來的損失。

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