對抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的體會

【摘 要】建筑物在設(shè)計過程中越來越重視抗震設(shè)計，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，詳細分析結(jié)構(gòu)的受力特點，通過計算分析和采用相關(guān)抗震構(gòu)造措施使建筑物獲得良好的抗震能力。本文從結(jié)構(gòu)體系抗震的理論出發(fā)，并且合理的探究好結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計理念，采取有效的抗震措施。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)體系；抗震設(shè)計

前言

我國處于歐亞板塊和太平洋板塊邊緣，是個多地震國家。地震災害頻頻發(fā)生，給人們的生命、財產(chǎn)、安全造成極大的威脅，并減緩了我國經(jīng)濟發(fā)展的速度，且一些特大地震災害給人們造成無可挽回的危害。因此，結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計可以有效減少地震災害對于建筑物的破壞，最大限度地保障人們的生命財產(chǎn)安全。

一、結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計

結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計，由于地震災害的爆發(fā)具有不確定性、隨機性，結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計合適與否，在概念設(shè)計中可以清晰地表達。而在抗震設(shè)計中，需要在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的開始階段正確掌握地震災害的能量輸入、結(jié)構(gòu)體系的類型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布等主要方面，這樣可以從根本上消除房屋結(jié)構(gòu)體系中抗震較薄弱的環(huán)節(jié)。

二、建筑結(jié)構(gòu)體系在地震中的常見問題

1、場地、地基與結(jié)構(gòu)震害

地震對建筑物的破壞程度，首先取決于地震釋放能量的大小，也就是通常所說的震級，同時還和震源深淺程度、建筑物與震中的距離及建筑物所處場地土性質(zhì)有關(guān)。

一般來說，震級小、震源深、離震中距離遠的地方，建筑物遭到破壞的可能性小一些。但是對于高層建筑，大量震害表明，遭到震害的范圍比低層建筑要大一些，震害程度受場地性質(zhì)影響也更大一些，軟土對高層建筑不利。

2、結(jié)構(gòu)剛度和震害的關(guān)系

歷次地震中，普遍的框架結(jié)構(gòu)破壞率高，而剪力墻結(jié)構(gòu)破壞少。由于剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大，地震時它的變形比框架結(jié)構(gòu)小，地震損壞也較?。淮送?，不對稱布置引起的扭轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)破壞更為嚴重。

3、結(jié)構(gòu)雙向剛度不均勻造成的破壞

例如地震時學校建筑破壞很多，主要也是因為學校建筑結(jié)構(gòu)的縱向剛度太弱引起的， 一般學校建筑結(jié)構(gòu)布置，橫向設(shè)置填充墻分隔教室，縱向是框架結(jié)構(gòu)，窗洞下部有填充墻，使框架柱成為短柱，縱向薄弱導致在縱向倒塌。

4、結(jié)構(gòu)平面剛度不均勻造成的扭轉(zhuǎn)破壞

如果結(jié)構(gòu)本身剛度不均勻，將加劇扭轉(zhuǎn)作用。扭轉(zhuǎn)是導致結(jié)構(gòu)破壞的重要原因，減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不均勻和剛度不均勻、加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗扭能力成為減小震害的重要措施，也是結(jié)構(gòu)十分重要的設(shè)計概念。

5、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻或承載力不均勻造成的薄弱層破壞

從歷次地震看，底部空曠的建筑物遭受破壞是普遍現(xiàn)象，主要是底部空曠形成了結(jié)構(gòu)的軟弱層，軟弱層的位移變形大，鋼筋混凝土柱承受不了大變形而破壞。有些柱子則因承載力不足而造成薄弱層破壞。

三、結(jié)構(gòu)體系抗震的概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計涉及的面很廣，從方案、結(jié)構(gòu)布置到計算簡圖的選取，從截面配筋到構(gòu)件的配筋構(gòu)造等都存在概念設(shè)計的內(nèi)容。本文僅闡述宏觀的、與總體方案和布置以及與結(jié)構(gòu)控制有關(guān)的概念設(shè)計內(nèi)容。

1、結(jié)構(gòu)剛與柔的選擇

結(jié)構(gòu)設(shè)計時應將結(jié)構(gòu)設(shè)計成剛一些，還是柔一些，是個難以判斷的問題，因為結(jié)構(gòu)剛度大相應的結(jié)構(gòu)地震作用大，顯然要求較大的構(gòu)件尺寸和鋼材用量，似乎是不經(jīng)濟的；而較柔的結(jié)構(gòu)地震作用小，但是結(jié)構(gòu)變形較大，可節(jié)省材料，常規(guī)認為框架的變形性能好，剪力墻變形性能差，主張選用較柔的框架結(jié)構(gòu)，但是歷次大地震都說明框架結(jié)構(gòu)的震害比較大。

2、結(jié)構(gòu)平面布置宜剛度均勻，減少扭轉(zhuǎn)

抗震結(jié)構(gòu)平面布置宜簡單、規(guī)則，盡量減少突出、凹進等復雜平面，但是，更重要的是結(jié)構(gòu)平面布置時要盡可能使平面剛度均勻，所謂平面剛度均勻就是“剛心”與質(zhì)心靠近，減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)。

平面剛度是否均勻是地震是否造成扭轉(zhuǎn)破壞的重要原因，而影響剛度是否均勻的主要因素是剪力墻的布置，對稱布置剪力墻、井筒有利于減少扭轉(zhuǎn)。周邊布置剪力墻，是增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉(zhuǎn)。

為了減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，還有注意平面上質(zhì)量分布，質(zhì)量偏心會引起扭轉(zhuǎn)，質(zhì)量集中在周邊也會加大扭轉(zhuǎn)。

3、結(jié)構(gòu)沿豎向剛度宜均勻，避免軟弱層，減小鞭梢效應

結(jié)構(gòu)宜做成上下等寬或由下向上逐漸減小的體型，更重要的是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度應當沿高度均勻，或沿高度逐漸減小。豎向剛度是否均勻，主要涉及剪力墻的布置?？蛑Ъ袅κ堑湫偷难馗叨葎偠韧蛔兊慕Y(jié)構(gòu)，它的主要危險在于框支層的變形大，框支層總是表現(xiàn)為薄弱層。

由于建筑物立面有較大的收進或頂部有小面積的突出小房間造成建筑立面體型沿高度變化，或者為了加大建筑空間而頂部減少剪力墻等，都可能使結(jié)構(gòu)頂部少數(shù)層剛度突然變小，這可能加劇地震作用下的鞭梢效應，頂部的側(cè)向甩動變形過大也會使結(jié)構(gòu)遭受破壞。

4、預先估計結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強或削弱某些部位

結(jié)構(gòu)各層的承載力宜自下而上均勻減小，減小的幅度應符合地震作用的內(nèi)力包絡(luò)圖，避免出現(xiàn)承載力薄弱層。應當注意的是，由于地震作用下構(gòu)件內(nèi)力是通過振型組合得到的，振型組合使構(gòu)件內(nèi)力喪失平衡關(guān)系，不能盲目地按照內(nèi)力組合結(jié)果配置鋼筋，而應當從概念設(shè)計角度均衡上下各層構(gòu)件承載力，使其自下而上均勻地減小，避免出現(xiàn)中間某一層承載力突然減小的情況。

要盡可能預見所設(shè)計結(jié)構(gòu)的可能破壞部位，在復雜結(jié)構(gòu)中更是要通過概念分析和結(jié)構(gòu)計算估計受力不利部位和薄弱部位。要預期結(jié)構(gòu)的合理破壞模式，應該通過必要的內(nèi)力調(diào)整控制結(jié)構(gòu)的破壞模式。有些部位可有意識地使它提早屈服，有些部位則應有意識地提高其承載力，推遲它的屈服或破壞，例如強柱弱梁就是設(shè)計時一種有意識的控制，是盡可能使框架按有利于抗震的梁鉸機制設(shè)計構(gòu)件屈服次序的措施。

5、設(shè)計延性結(jié)構(gòu)和延性構(gòu)件

在中等地震作用下，允許部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服進入彈塑性，大震作用下，結(jié)構(gòu)不能倒塌，因此，抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)件需要延性，抗震的結(jié)構(gòu)應該設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)。

設(shè)計必須滿足：延性能力不小于延性要求，延性能力是指結(jié)構(gòu)本身具有的性質(zhì)，應當是合理設(shè)計的結(jié)果，而延性要求是指地震對結(jié)構(gòu)的要求，與地震大小、振動特性有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)的性能有關(guān)。

柱和墻肢都是壓、彎、剪構(gòu)件，軸力過大會減小構(gòu)件延性，應當限制柱和墻肢的軸壓比。短柱的延性不好，容易出現(xiàn)剪切破壞，盡可能避免設(shè)計短柱，更重要的是避免長柱和短柱在同一層中共同受力。短柱與剪力墻協(xié)同受力時，危險性相對減小。此外，還應提高角柱、框支柱等受力不利部位構(gòu)件的承載力，并采取一些配筋構(gòu)造措施，推遲或避免其過早破壞，改善延性。

6、設(shè)計多道設(shè)防結(jié)構(gòu)-超靜定結(jié)構(gòu)和雙重抗側(cè)力體系的概念

靜定結(jié)構(gòu)在地震中只要有一個節(jié)點破壞或一個塑性鉸出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)就會倒塌。抗震結(jié)構(gòu)必須做成超靜定結(jié)構(gòu)，因為超靜定結(jié)構(gòu)允許有多個屈服點或破壞點。

因此建筑結(jié)構(gòu)要設(shè)計成超靜定結(jié)構(gòu)，抗震結(jié)構(gòu)還應該做成具有多道設(shè)防的結(jié)構(gòu)，第一道設(shè)防結(jié)構(gòu)中的某一部分屈服或破壞只會使結(jié)構(gòu)減少一些超靜定次數(shù)。例如帶有連梁的剪力墻或?qū)嵏雇?，在第一道設(shè)防結(jié)構(gòu)-連梁破壞以后，還會存在一個能夠獨立抵抗地震作用的結(jié)構(gòu)。

雙重抗側(cè)力體系的特點是：由兩種受力和變形性能不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成，每個抗側(cè)力結(jié)構(gòu)都具有足夠的剛度和承載力，可以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板連接協(xié)同工作，共同抵抗外力，特別是在地震作用下，當其中一部分有所損傷時，另一部分應有足夠的剛度和承載力能夠擔當共同抵抗后期地震的任務。在抗震結(jié)構(gòu)中設(shè)計雙重抗側(cè)力體系便于實現(xiàn)多道設(shè)防，是安全而可靠的結(jié)構(gòu)體系。

7、重視構(gòu)件承受豎向荷載的安全

結(jié)構(gòu)倒塌往往是由豎向構(gòu)件破壞造成的，即抵抗豎向荷載、又抗側(cè)力的豎向構(gòu)件屬于重要構(gòu)件，豎向構(gòu)件的設(shè)計不僅應當考慮抵抗水平力的安全，更要考慮在水平力作用下出現(xiàn)裂縫或塑性鉸以后，它是否仍然能夠安全地承受豎向荷載。

在高層建筑中短肢剪力墻是常用構(gòu)件。短肢剪力墻通過樓板大梁或弱連梁與其他剪力墻協(xié)同工作。當結(jié)構(gòu)中只有個別短肢剪力墻或小墻肢時，它分擔的內(nèi)力很少，即使破壞，也不影響結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力，也不會使樓板垮塌。

但是，當樓層大片面積上連續(xù)采用短肢剪力墻時，潛在危險有兩方面：一方面是在剪力墻井筒出現(xiàn)問題以后，很弱的短肢剪力墻沒有足夠的延性和承載力，可能隨之而破壞；另一方面是短肢剪力墻本身在彈塑性階段抵抗豎向荷載的能力，地震時易引起建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

8、加強結(jié)構(gòu)整體性-縫的設(shè)置

在房屋建筑的總體布置中，為了消除結(jié)構(gòu)不規(guī)則、收縮和溫度應力以及不均勻沉降對結(jié)構(gòu)的不利影響，可以用抗震縫、伸縮縫和沉降縫將房屋分成若干個獨立的結(jié)構(gòu)單元。但是在建筑中設(shè)縫也會帶來一些問題：設(shè)縫會影響建筑立面、多用材料、使結(jié)構(gòu)復雜、防水處理困難等，設(shè)縫的結(jié)構(gòu)在強烈地震下相鄰結(jié)構(gòu)可能發(fā)生碰撞而導致局部損壞等，有時還會因為將房屋分成小塊而降低每個結(jié)構(gòu)單元的穩(wěn)定、剛度和承載力，反而削弱了結(jié)構(gòu)，因此，常常通過采取措施，避免設(shè)縫。

如果在高層建筑中無法避免伸縮縫，或沉降縫，或抗震縫，則都必須按照抗震縫的要求設(shè)置其寬度，避免地震時相鄰部分會互相碰撞而破壞。

四、結(jié)束語

綜上所述，在確定結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計時，需要全面地考慮結(jié)構(gòu)體系的使用功能、場地類別、設(shè)防烈度、建筑高度、地基基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)材料和施工工藝等，同時還要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計、技術(shù)以及經(jīng)濟保障等，選擇最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)體系。

參考文獻：

[1]方鄂華. 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計. 機械工業(yè)出版社，2006.08.