淺析建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

劉山越

（重慶宏源勘測設(shè)計有限公司，重慶 405499）

淺析建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

劉山越

（重慶宏源勘測設(shè)計有限公司，重慶 405499）

汶川地震、玉樹地震等給咱們中國人一個慘痛的教訓(xùn)，也鳴響了中國建筑結(jié)構(gòu)抗震的警鐘。原有建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度低使建筑物在地震中毀壞極多，損失慘重。因此，我們建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工人員必須對建筑結(jié)構(gòu)的抗震問題進(jìn)行思考。本文主要對地震發(fā)生的特性、影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素、建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析方法等進(jìn)行闡述和分析。

建筑結(jié)構(gòu)；抗震；抗震加固

1.引言

我國東鄰環(huán)太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，是一個多地震的國家。有東西、南北兩條主要的地震帶貫穿我國，大多數(shù)城鎮(zhèn)都位于抗震設(shè)防區(qū)，其房屋結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行抗震設(shè)計?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要部分，它關(guān)系居民的生命和財產(chǎn)安全。

1976年唐山大地震造成的人員傷亡和建筑物破壞極為嚴(yán)重，是世界地震史上罕見的嚴(yán)重地震災(zāi)害。房屋建筑基本倒塌或嚴(yán)重破壞；人員傷亡率與房屋建筑倒塌率和嚴(yán)重破壞率隨地震烈度增加明顯上升。2008年的汶川地震中災(zāi)區(qū)受損最嚴(yán)重的是砌體結(jié)構(gòu)的房屋，其中沒有經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計的村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)房屋占多數(shù)。磚砌體材料是脆性材料，容易發(fā)生脆性破壞，其抗壓性較強(qiáng)，但是抗彎能力很差，整體性比較差。而這些房屋的抗震構(gòu)造又沒有達(dá)到建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求，所以當(dāng)?shù)卣鸬牧叶冗_(dá)到一定的高度時很容易就倒塌。

2.影響建筑結(jié)構(gòu)抗震的主要因素

不確定性的地面運(yùn)動的影響。地震動是地殼快速釋放能量過程中產(chǎn)生具有不確定性的多維振動，它是通過地震波的傳播實現(xiàn)的，它的隨機(jī)性和復(fù)雜性讓人難以預(yù)測。地震動的各個分量對建筑都具有危害作用，即一個豎向分量、兩個水平分量和一個轉(zhuǎn)動分量。地震災(zāi)害具有突發(fā)性、破壞性、難以預(yù)測性，甚至是毀滅性的。

結(jié)構(gòu)動力特性的影響。影響結(jié)構(gòu)動力分析的因素主要有：結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布不均勻；基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用；節(jié)點(diǎn)的非剛性轉(zhuǎn)動；偏心扭轉(zhuǎn)可能使位移增加；柱的軸向變形可能會使周期變長，加速度降低；

材料的影響?；炷恋膹椥阅Ａ侩S著時間的增長或應(yīng)變的增大而降低，這意味著自振周期可能增長，而加速度反應(yīng)將減小。

阻尼變化的影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比受震松動以后會變大，且自振周期變長。

基礎(chǔ)不同沉降量的影響。按一般荷載設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鹣禂?shù)大于0，基礎(chǔ)差異沉降可能造成實際彎矩與設(shè)計彎矩出現(xiàn)較大的誤差，而這種誤差在設(shè)計中一般未予考慮。

建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。施工質(zhì)量是影響結(jié)構(gòu)抗震能力的一個重要因素。施工的任一環(huán)節(jié)都可能對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能造成重要影響。這就是為什么“豆腐渣工程”的抗震性能總是和設(shè)計值相差甚遠(yuǎn)。

3.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

3.1 結(jié)構(gòu)地震分析法

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要任務(wù)就是對結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)的分析，需要確定內(nèi)力組合及截面設(shè)計的地震作用值。常用的地震分析法有底部剪力法、彈性時程分析方法、振型分解反應(yīng)譜法、非線彈性靜力分析法以及非線彈性時程分析法。其中最為簡單的屬底部剪力法，其在質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻的結(jié)構(gòu)中較為適用。假設(shè)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以線性倒三角形的第一振型為主。并通過第一振型周期的估計來確定地震影響系數(shù)。對于較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，采用振型分解反應(yīng)譜法來計算，它的思路就是根據(jù)振型疊加原理，將各種振型對應(yīng)的地震作用、作用效應(yīng)以一定方式疊加起來得到結(jié)構(gòu)總的地震作用、作用效應(yīng)。

而彈性時程分析適用于特別不規(guī)則和特別重要的結(jié)構(gòu)中，將建筑物看作彈性或彈塑性振動系統(tǒng)，直接輸入地面振動加速度記錄，對運(yùn)動方程積分，從而得到各質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度和剪力時程變化曲線。非線彈性時程分析法可以準(zhǔn)確完整的反映結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)的全過程。按非線彈性時程分析法進(jìn)行抗震設(shè)計，能改善結(jié)構(gòu)抗震能力和提高抗震水平。非線彈性靜力分析法考慮了結(jié)構(gòu)彈塑性特性，在結(jié)構(gòu)分析模型上施加某種特定傾向力模擬地震水平側(cè)向力，并逐級單調(diào)增大，構(gòu)件一旦屈服，修改其剛度直到結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法

為了確保建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力最佳，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面都達(dá)到最佳，質(zhì)量分布均勻，平面對稱、規(guī)則抗側(cè)向力較好的體系及剛度與承載能力變化連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系是優(yōu)先考慮的設(shè)計方案，從而經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。

（1）根據(jù)我國的抗震設(shè)計規(guī)范，建筑持力層的選擇非常重要，它關(guān)系著整個建筑物的安全性能，同時規(guī)范還指出，建筑的形體要適當(dāng)，要求建筑的形狀及抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則，并有整體性，不宜用軸壓比很大的鋼筋混凝土框架柱作為第一道防線。

（2）抗震結(jié)構(gòu)體系布置是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵問題，如房屋建造中框架結(jié)構(gòu)體系和砌體結(jié)構(gòu)的選擇問題。地震后會有余震，抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有多道抗震防線。如框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中為了避免部分構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力，將不承受重力荷載的構(gòu)件用作傳遞途徑。

（3）傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(強(qiáng)度、剛度、延性)來抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身儲存和消耗地震能量。消能減震設(shè)計指在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器來消耗地震輸入的能量，減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減小結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和避免結(jié)構(gòu)物直接倒塌以達(dá)到預(yù)期防震減震要求。隔震設(shè)計指在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔離層，即安裝隔震裝置，通過隔震裝置延長結(jié)構(gòu)的基本周期，避免地震能量集中使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服和破壞。這是一種以柔克剛積極主動的抗震對策,是一種新方法、新對策、新途徑。

（4）盡可能多設(shè)置幾道抗震防線，一個較好的抗震建筑結(jié)構(gòu)由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如果只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導(dǎo)致倒塌。如像教學(xué)樓這種相對大開間、單跨、大窗口、懸臂走廊的純框架結(jié)構(gòu)，其縱、橫方向的剛度不均勻，很容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，而整個結(jié)構(gòu)只有框架一道防線，一旦柱子發(fā)生破壞，沒有其他約束措施，整個框架因喪失全部承載能力而倒塌。防止脆性和失穩(wěn)破壞，增加延展性。設(shè)計不良的細(xì)部結(jié)構(gòu)常常發(fā)生脆性和失穩(wěn)破壞，應(yīng)該防止。剛度的選擇有助于控制變形，在不增加結(jié)構(gòu)的重量的基礎(chǔ)上，改變結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和延展性是有效的抗震途徑。

（5）場地條件就是導(dǎo)致建筑震害過于嚴(yán)重的關(guān)鍵因素，所以選擇最為有利的地形最大限度的防止建筑物出現(xiàn)在不利于抗震功能發(fā)揮的區(qū)域。選擇在抗震過于危險的區(qū)域來建造房屋，有可能對人們的生命財產(chǎn)安全帶來危害。在汶川地震時，北川縣城西的房屋建造在有滑坡隱患的山體之下，在地震的作用下，山體崩塌、滑坡，將大量的房屋掩埋，死亡1600人，損失慘重。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為滿足我們的需求，越來越多的建筑物將隨之出現(xiàn)。建筑的抗震結(jié)構(gòu)體系會由原本的硬性為主轉(zhuǎn)向以柔性為主，用“以柔克剛”的辦法對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行消能減震與隔震，從而在一定程度上減弱地震對建筑物的損壞，以此實現(xiàn)抗震的目的。隨著建筑使用的材料的抗震性能的提高，建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也會隨之提高；建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的腳步也會隨著新型材料的開發(fā)而邁向更高一層，采用層層修改，優(yōu)化后的抗震方法設(shè)計來充分滿足高層建筑的抗震需求。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶動建筑行業(yè)發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)抗震能力也隨著經(jīng)驗教訓(xùn)，科學(xué)發(fā)展，技術(shù)進(jìn)步而日新月異。地震是自然災(zāi)害，很難避免，但是只要我們恰當(dāng)、靈活的采用各項建筑抗震原則，就能使建筑結(jié)構(gòu)更為合理，抗震能力大大提高，從而減少人民群眾的生命財產(chǎn)損失,確保他們可以安居樂業(yè)。

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1007-6344（2015）06-0092-01