淺談當代房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

葛雄宗

（華藍設(shè)計（集團）有限公司 廣西南寧 530011）

淺談當代房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

葛雄宗

（華藍設(shè)計（集團）有限公司 廣西南寧 530011）

近年來我國地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計已經(jīng)引起了人民和相關(guān)部門的廣泛關(guān)注。地震作為一種無法準確預測的突發(fā)毀滅性自然災(zāi)害對房屋危害極為嚴重，嚴重威脅人們的生命財產(chǎn)安全。所以大力加強房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，提高建筑整體抗震性能具有很重要的現(xiàn)實意義。

房屋建筑；建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；多道抗震防線；延性設(shè)計

1 前言

當代房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)基于抗震概念設(shè)計，結(jié)合科學的抗震模擬計算措施和抗震構(gòu)造措施，把控抗震設(shè)計的質(zhì)量關(guān)鍵節(jié)點，并逐點落實于實際結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而使得結(jié)構(gòu)具備優(yōu)良的抗震性能和足夠安全的可靠度；應(yīng)立足抗震概念設(shè)計及國家規(guī)范，并于實際設(shè)計中準確且靈活地運用它們對建筑結(jié)構(gòu)主要部位、關(guān)鍵部位及短板進行針對設(shè)計，在未落實施工的設(shè)計階段就消除建筑抗震薄弱環(huán)節(jié)的隱患，提高建筑整體的抗震性能。本文結(jié)合一些廣西的實際情況，從場地選擇與基礎(chǔ)設(shè)計、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)選型、多道抗震防線、剛度和強度匹配、結(jié)構(gòu)的延性等幾個主要方面，初步探討了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

2 廣西抗震設(shè)防概述

廣西位于亞歐板塊內(nèi)部華南地震帶上，處于內(nèi)陸比較弱的活動地震帶，運動水平較低，其運動速度僅為2mm/年。按照國家抗震設(shè)防的烈度區(qū)劃圖，廣西除少數(shù)市縣處于抗震設(shè)防Ⅶ度區(qū)外，大部地區(qū)為抗震設(shè)防Ⅵ度區(qū)域，也有少部分地區(qū)為非抗震設(shè)防區(qū)域。結(jié)合《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》，廣西的標準設(shè)防類房屋的必須要按地區(qū)相應(yīng)的設(shè)防烈度進行抗震設(shè)計，而對于非抗震設(shè)防地區(qū)（如廣西來賓市），有相應(yīng)的地方文件作抗震設(shè)防的要求。

3 場地選擇與基礎(chǔ)設(shè)計

建筑場地應(yīng)選擇對建筑抗震有利的地段，避開可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流及地表錯位等的抗震不利地段?？拐鹩欣麍龅厥侵搁_闊平坦地的堅硬場地和密實均勻的中硬場地，一般即對應(yīng)勘察報告的Ⅰ、Ⅱ類場地場。場地選擇應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)情況作決定，首先選擇抗震有利的場地，必須在不利的場地建設(shè)時應(yīng)進行針對的加強設(shè)計，禁止在抗震危險場地建造抗震建筑。廣西為山地丘陵性盆地地貌，基本特征是：盆地大小相雜，山系多呈弧形且層層相套，丘陵、平地及喀斯特地貌錯綜廣布。廣西的工程場地多為Ⅱ類場地，但由于區(qū)域地貌的特殊性，尤其容易出現(xiàn)場地及土層分布不均勻，巖石和土甚至軟弱地基交叉的場地情況，設(shè)計時更應(yīng)對場地及基礎(chǔ)持力層做出正確的選擇，從根基上保證結(jié)構(gòu)的牢固。廣西常采取的基礎(chǔ)類型多為天然基礎(chǔ)（獨立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)）及樁基礎(chǔ)（大直徑灌注樁、預制樁）。基于廣西地貌容易出現(xiàn)巖石和土層分布不均、持力層埋深不同的復雜場地，工程師進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)特別注意同一結(jié)構(gòu)單元避免部分采用天然地基部分采用樁基的形式，且同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)避免設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上；當?shù)鼗鶠榭拐鸩焕鼗鶗r，應(yīng)采取地基加固處理等措施，消除抗震不利條件。

4 結(jié)構(gòu)布置

建筑形體及平立面布置應(yīng)規(guī)則和對稱，這是抗震結(jié)構(gòu)布置最基本的原則。不規(guī)則的建筑方案應(yīng)按規(guī)定采取加強措施；特別不規(guī)則的建筑方案應(yīng)進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的建筑方案[1]。結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)簡單、規(guī)則、對稱及減少偏心，這決定了建筑結(jié)構(gòu)平面形狀方案應(yīng)以最簡單規(guī)則的正方形、限制長寬比的矩形、圓形為主，而結(jié)構(gòu)單體應(yīng)杜絕長翼緣的L形、H形、Y形等凹凸不規(guī)則或樓板不連續(xù)的平面；結(jié)構(gòu)立面布置應(yīng)遵循沿結(jié)構(gòu)高度剛度均勻變化、結(jié)構(gòu)重心低置的原則，對應(yīng)的可采用矩形、梯形或三角形等均勻變化的幾何形狀，避免突然收進或挑出的階梯形或頭重腳輕的倒梯形、倒三角形。當建筑方案無法避免特別不規(guī)則的情況時，可根據(jù)實際建筑功能的需要和限制，結(jié)合抗震計算指標和經(jīng)濟造價指標，于適當部位設(shè)置防震縫將復雜的不規(guī)則結(jié)構(gòu)“切割”成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元的組合。廣西雖然處在抗震設(shè)防低烈度區(qū)域，結(jié)構(gòu)布置較高烈度設(shè)防區(qū)靈活，但仍應(yīng)遵循抗震結(jié)構(gòu)布置的基本原則，不應(yīng)在平面布置上追求凹凸不平的造型，更不應(yīng)在立面上追求大懸挑大收進的體型。應(yīng)從建筑方案設(shè)計階段介入，盡量避免導致剛度和應(yīng)力突變的不利布置。

5 結(jié)構(gòu)選型

建筑結(jié)構(gòu)類型，決定房屋抗震性能的先天優(yōu)劣勢。我國由于歷史和經(jīng)濟原因，雖然傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到了發(fā)展和完善，但當代抗震性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)類型在我國推廣較為落后，如鋼結(jié)構(gòu)及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等先進的結(jié)構(gòu)類型在我國發(fā)展也是較發(fā)達國家延遲，這種現(xiàn)象在廣西等西部欠發(fā)達地區(qū)尤為顯著，這與地區(qū)的經(jīng)濟水平、設(shè)計水平及施工管理水平較低有關(guān)。排除地區(qū)條件限制，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)該結(jié)合建筑的重要性、高度、抗震設(shè)防烈度、地質(zhì)狀況、基礎(chǔ)類型、當?shù)夭牧瞎┙o、投資經(jīng)濟性和施工技術(shù)水平等綜合優(yōu)選。我國主要的建筑結(jié)構(gòu)類型按照抗震性能優(yōu)劣排序：鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)。這只是結(jié)構(gòu)類型的先天性能優(yōu)劣順序，比對到具體的建筑結(jié)構(gòu)時，其抗震綜合性能優(yōu)劣并不一定就按照此順序。例如2008年汶川地震，災(zāi)區(qū)部分抗震設(shè)計的磚混房屋未嚴重損毀，但是不少的框架結(jié)構(gòu)卻整體倒塌，該現(xiàn)象值得思考。結(jié)構(gòu)選型僅是抗震設(shè)計的單個方面，決定建筑綜合抗震能力的是本文所探討的眾方面；協(xié)調(diào)各方面，提高建筑綜合抗震性能，才是抗震設(shè)計的正確方向?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系還應(yīng)具有能科學模擬地震能量輸入的簡化計算模型以及簡單直接的地震作用傳遞途徑，應(yīng)避免傳力不清的體系，如部分框架承重部分磚混承重的“混合結(jié)構(gòu)”，又如裙樓梁板簡支搭在主樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的“似連非連，要脫不脫”的主裙樓關(guān)系。應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計，避免地震時僅因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致連續(xù)倒塌，使整個體系喪失抗震能力或?qū)χ亓Φ某休d能力。另外，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有合理的強度和剛度分布。

6 多道抗震防線

多道抗震防線，產(chǎn)生于“多重設(shè)防，多重保障”這種樸素而科學的理念，確保了建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠度。多道抗震防線是指：多道抗震防線的建筑結(jié)構(gòu)，從體系層面上應(yīng)由若干個延性較好的分體系組成，從構(gòu)件層面上應(yīng)由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件聯(lián)合起來協(xié)同工作，并且具備合理的強度和延性。傳統(tǒng)的多道抗震防線體系有框架-抗震墻體系（由延性框架和抗震墻兩個系統(tǒng)組成）、雙肢或多肢抗震墻體系（由若干個單肢墻分系統(tǒng)組成）和框架體系（由框架梁和框架柱）三種。當多道抗震防線設(shè)計為由若干個分體系組成時，原則上作為第一道抗震防線的抗側(cè)力構(gòu)件不應(yīng)是框架柱，而是不負擔或少負擔重力荷載的填充墻或豎向支撐，或是軸壓比較小的剪力墻、筒體等。因條件限制只能采用單一體系時，則應(yīng)該確保體系內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系能實現(xiàn)“多道防線”，如單一的框架結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)設(shè)計成以梁為第一道防線，柱為第二道防線的“強柱弱梁”型延性框架。

7 剛度和強度匹配

建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該有合理的剛度和強度分布。我國抗震設(shè)計概念的要求，其實都可以從建筑結(jié)構(gòu)剛度和強度來延伸。剛度和強度，矛盾又統(tǒng)一的兩者，一直都是抗震設(shè)計理論的焦點。當前我國抗震設(shè)計以“抗”的方法為主，這就要求建筑結(jié)構(gòu)有較大的剛度和強度。剛度和強度存在微妙的關(guān)系：有時候為追求較小的側(cè)移需要較大的剛度，卻導致地震作用加劇，地震作用加劇又要求建筑結(jié)構(gòu)強度加強，強度加強又會導致剛度增大，形成惡性循環(huán)；有時候結(jié)構(gòu)計算要求減小地震力作用，需要減小剛度，而剛度過度減小又往往會使結(jié)構(gòu)過柔而導致非強度層面的破壞。兩者間的矛盾決定了兩者之間需要一個平衡點去統(tǒng)一，即不能片面的追求剛度或片面的追求強度，應(yīng)通過調(diào)整構(gòu)布置使得剛度和強度匹配，采取措施保證結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵部位（如轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、短柱等）的延性性能，從而避免建筑結(jié)構(gòu)因剛度和強度不匹配造成延性差、應(yīng)力集中的薄弱短板。國家規(guī)范就建筑結(jié)構(gòu)的剛度和強度分布的合理性有重要的規(guī)定，基本原則的就是確保結(jié)構(gòu)的規(guī)則和對稱，體現(xiàn)為幾個可控的、量化的關(guān)鍵比值：周期比，位移比，位移角，層剛度比，樓層受剪承載力比，剪重比，剛重比。這些指標的控制應(yīng)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的整個過程。協(xié)調(diào)剛度和強度，其最終目的簡單來說就是使建筑結(jié)構(gòu)“剛?cè)岵?，擁有合適的側(cè)移剛度和盡可能長的自振周期，及最小的水平地震作用；確保規(guī)則均勻，避免有害的扭轉(zhuǎn)和位移，經(jīng)濟性好、抗震性能高。

8 結(jié)構(gòu)的延性

延性是衡量結(jié)構(gòu)耗能能力的指標，是結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)劣的重要評價標準。結(jié)構(gòu)延性從整體到局部可分為四個層次，即：結(jié)構(gòu)總體延性、結(jié)構(gòu)樓層延性、構(gòu)件延性、桿件延性[2]?？拐鹧有栽O(shè)計主要體現(xiàn)在對關(guān)鍵部位的設(shè)計上，因為保證了關(guān)鍵部位及關(guān)鍵構(gòu)件的延性，才可能使得結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)薄弱層、薄弱部位，從而保證結(jié)構(gòu)的總體延性和整體性?？拐鹧有栽O(shè)計的思路，歸結(jié)來說是一種針對建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵和薄弱的進行延性設(shè)計的方法。如針對豎向薄弱時，應(yīng)針對性地提高主樓與裙房頂面銜接的樓層構(gòu)件的延性，體型突變處樓層構(gòu)件延性的加強，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系底部幾層的延性設(shè)計等；針對構(gòu)件及桿件時，可用“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件”等來概括?？拐鹪O(shè)計的其他方面如結(jié)構(gòu)布置、剛度和強度的分布等也影響結(jié)構(gòu)的延性，某種意義上來說也是為了保證結(jié)構(gòu)的延性。

9 結(jié)語

建筑抗震設(shè)計是一項科學嚴謹?shù)墓ぷ鳎Y(jié)構(gòu)工程師必須立足于建筑抗震概念設(shè)計，落實我國當前房屋抗震設(shè)計的各種要求和規(guī)定，并積極引進、學習和使用當代世界的先進抗震理論和技術(shù)，從而設(shè)計出抗震性能優(yōu)異的房屋建筑結(jié)構(gòu)。

[1]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]任福民.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計[J].遼東學院學報，2006，01：27～30.

TU352.1+1

A

1673-0038（2015）01-0003-02

2014-12-10

葛雄宗（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。