基于抗震性能的建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)策略探討

宋亮（池州市建筑設(shè)計(jì)院　安徽池州　247000）

基于抗震性能的建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)策略探討

宋亮
（池州市建筑設(shè)計(jì)院安徽池州247000）

汶川地震給我們帶來(lái)慘痛的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提升房屋抗震性能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，以有效避免不必要的生命財(cái)產(chǎn)損失。本文從概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算與構(gòu)造措施三個(gè)方面探討了房屋抗震性設(shè)計(jì)要點(diǎn)和方法，為房屋設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)和支持，不斷促進(jìn)建筑業(yè)健康快速發(fā)展。

抗震性；建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

常言道：“地震不會(huì)殺人，殺人的是倒塌的建筑物”。2008年汶川大地震中受損的房屋結(jié)構(gòu)與唐山大地震中的具有較大共性，那就是以砌體結(jié)構(gòu)房屋為主，這類房屋主體承載能力較差，房屋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏弱，預(yù)制板與豎向承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，一旦遭受較高級(jí)別的地震十分容易坍塌，例如圖1中就是汶川某地在地震后損毀的民房。同樣作為發(fā)展中國(guó)家的智利，其也經(jīng)歷過(guò)重大地震災(zāi)難，但是其傷亡群眾人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于我國(guó)汶川和唐山地震，究其原因，主要與智利房屋采用了科學(xué)的抗震性有很大關(guān)系。從中可以看出，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用抗震性設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文將就房屋抗震性設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探討，以得出有價(jià)值的研究結(jié)論。

圖1　2008年汶川大地震中受損房屋

為增強(qiáng)房屋抗震能力，減少自然災(zāi)害帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入抗震設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文總結(jié)和分析了地震中房屋受損特點(diǎn)和規(guī)律，從抗震概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算與構(gòu)造措施三個(gè)方面提出了改進(jìn)房屋抗震性設(shè)計(jì)的對(duì)策。其中：概念設(shè)計(jì)主要是整體把握房屋結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)的理念和思想；抗震計(jì)算主要是采用定量方法分析建筑抗震性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和參數(shù)；而構(gòu)造措施是在遵循前面兩個(gè)步驟基礎(chǔ)上，保證房屋抗震設(shè)計(jì)受到實(shí)際效果。

1　房屋抗震概念設(shè)計(jì)

房屋抗震概念設(shè)計(jì)主要綜合考慮以下幾個(gè)方面要求：

（1）房屋平面設(shè)計(jì)要遵循規(guī)整、受力勻稱的原則。不規(guī)則的平面設(shè)計(jì)、不對(duì)稱的受力結(jié)構(gòu)、凹凸幅度過(guò)大、重心偏移較大以及同一房屋單元內(nèi)結(jié)構(gòu)平面和剛度不勻稱、房屋平面長(zhǎng)寬比不合理等，都會(huì)降低房屋抗震性，因此在房屋設(shè)計(jì)過(guò)程中，要嚴(yán)格遵循規(guī)整、對(duì)稱的設(shè)計(jì)理念。

（2）房屋強(qiáng)度和剛度相一致。對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，要盡量保證每層強(qiáng)度和剛度勻稱，否則一旦發(fā)生地震，強(qiáng)度和剛度嚴(yán)重不對(duì)稱的樓層就會(huì)成為最先變形和損毀的部位，這會(huì)導(dǎo)致建筑物遭受嚴(yán)重外力破壞。例如商住樓經(jīng)常采用底層為框架、上部為磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底層框架抗側(cè)移剛度明顯強(qiáng)于上層樓層，其抗震性也相對(duì)較差，往往在地震中率先被破壞。因此，為加強(qiáng)房屋底部側(cè)移剛度，要在房屋四周設(shè)置剪力墻。對(duì)于底層框架住宅來(lái)說(shuō)，其比較適合采用底層框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

（3）結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)多。靜定結(jié)構(gòu)的房屋桿件受力系統(tǒng)和傳力路線比較單一，只要有一根桿件受損，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)遭受巨大破壞。當(dāng)超靜定結(jié)構(gòu)受到的外力超出其荷載力后，其內(nèi)部桿件就會(huì)發(fā)生形變，這可以消化部分外力，降低房屋整體結(jié)構(gòu)受損風(fēng)險(xiǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，房屋超靜定結(jié)構(gòu)次數(shù)越多，則吸收的地震能量也就更多，抗震效果就越好。

（4）盡量采用“強(qiáng)柱弱梁”框架結(jié)構(gòu)。要降低地震中房屋坍塌風(fēng)險(xiǎn)，可以采用“強(qiáng)柱弱梁”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免使用“強(qiáng)梁弱柱”框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)房屋遭受水平地震力作用時(shí)，梁首先會(huì)發(fā)生形變，因此可以通過(guò)梁來(lái)吸收地震能量，從而有效保護(hù)柱子結(jié)構(gòu)完好性，這可以有效降低房屋坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

（5）盡量使用耗能構(gòu)件。要提高房屋吸收水平受力性能，應(yīng)盡可能多使用耗能構(gòu)件，這可以有效提高房屋建筑抵抗地震沖擊能力。

（6）房屋強(qiáng)構(gòu)件相互連接。可靠的構(gòu)件連接是保證房屋強(qiáng)度的重要前提，只有這樣才能夠更多地消化地震能量。通過(guò)將強(qiáng)構(gòu)件連接在一起，可以保證地震沖擊波在房屋框架內(nèi)均勻分布，從而有效提高房屋整體抗震性。

（7）保證所有樓層強(qiáng)度相一致。對(duì)于高層房屋來(lái)說(shuō)，一旦其中存在薄弱樓層，那么在地震中這個(gè)樓層就會(huì)率先發(fā)生形變，而樓層剛度均勻分布的大樓，能夠保證各層受力均勻，房屋整體發(fā)生形變的概率就會(huì)明顯降低。

（8）加強(qiáng)形體突變部位。如果建筑物有突變部位設(shè)計(jì)，要對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)加固，避免其成為房屋薄弱部分。

（9）充分利用好填充墻。在高層建筑物內(nèi)，通常采用磚砌圍護(hù)墻和隔墻填充大樓框架，這可以有效提升房屋抗震性能。如果采用混凝土作為框架樓墻壁填充物，可能會(huì)增大房屋在地震中的受損范圍。因此，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡量保證隔墻和圍墻分布均勻，受力勻稱。根據(jù)房屋抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：框架性房屋結(jié)構(gòu)先完成框架施工再進(jìn)行砌筑填充墻，底層框剪結(jié)構(gòu)先砌筑墻體后澆筑框架。

（10）盡量使用輕量化建筑材料。建筑材料質(zhì)量越輕，抵抗地震效果越好。在房屋墻體、隔墻、防護(hù)墻及房屋構(gòu)件中，要盡量采用輕量化建筑材料，這可以有效提高房屋抗震性能。

（11）設(shè)置多層防線。一般來(lái)說(shuō)，地震發(fā)生具有連續(xù)性、反復(fù)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，在較短的時(shí)間里會(huì)對(duì)建筑施加多次外力沖擊。因此，建筑物不能單純?cè)O(shè)置一道抗震防線，而是要盡可能多的采用多重抗震防線，以有效延緩房屋破損倒塌時(shí)間，為搶救屋內(nèi)生命、財(cái)產(chǎn)爭(zhēng)取更多的寶貴時(shí)間。

（12）重視樓梯間設(shè)計(jì)。樓梯間往往在地震中受損嚴(yán)重，這直接影響屋內(nèi)人員逃生，因此必須要加強(qiáng)樓梯間構(gòu)件安全設(shè)計(jì)。本文前面分析過(guò)，樓梯間是重要逃生通道，在設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)時(shí)，要對(duì)樓梯間抗震性進(jìn)行加強(qiáng)處理，采用更加科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，全面提升房屋樓梯抗震能力。

（13）引入最新隔震技術(shù)，提高房屋結(jié)構(gòu)抗震性能。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，隔震技術(shù)能夠有效降低地震后房屋破損程度，而且不會(huì)大幅增加房屋施工成本。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，基礎(chǔ)隔震建筑比傳統(tǒng)建筑工程造價(jià)高出5～10%左右，但是房屋抗震性卻得到顯著提升。另外，在地震中有不少房屋沒(méi)有倒塌，但是由于內(nèi)部配套設(shè)施和裝修物受損嚴(yán)重，同樣造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，增加5～10%的成本可以顯著提高房屋抗震性，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是無(wú)法估量的，因此采用隔震技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2　抗震計(jì)算與構(gòu)造措施

2.1抗震計(jì)算

不同建筑結(jié)構(gòu)具有不同的抗震效果和性能，在計(jì)算建筑物抗震性時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）正常情況下，要選取至少兩個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的水平方向計(jì)算抗震效果，不同方向的水平地震作用力主要由建筑物同方向的構(gòu)件承擔(dān)。

（2）采用斜交抗側(cè)力構(gòu)件的建筑物，當(dāng)構(gòu)件相交角度超過(guò)15°時(shí)，要綜合考了各個(gè)構(gòu)件水平方向上的抗震能力。

（3）對(duì)于質(zhì)量和剛度分布不均的建筑物構(gòu)件，要對(duì)其雙向水平地震受力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響；其他情況應(yīng)允許采用調(diào)整地震作用效應(yīng)的方法計(jì)入扭轉(zhuǎn)影響。

（4）采用了8度、9度時(shí)的大跨度結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)及9度時(shí)的高層建筑，要計(jì)算豎向地震作用。

（5）要根據(jù)建筑和場(chǎng)地類別，確定抗震措施等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)。

（6）在選擇和確定抗震計(jì)算方法時(shí)，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

①對(duì)于高度低于50m、采用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及剛度分布比較勻稱的高層建筑，比較適合使用底部剪力法等簡(jiǎn)化方法。

②除第一種類型的建筑結(jié)構(gòu)外，可以采用振型分解反應(yīng)譜法。

③對(duì)于采用不規(guī)則平面和外型設(shè)計(jì)的建筑，甲類建筑和烈度、場(chǎng)地內(nèi)限定高度范圍的高層建筑，可采用時(shí)程分析法計(jì)算，取多條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。

2.2構(gòu)造措施

混凝土結(jié)構(gòu)建筑物，大多使用鋼筋混凝土構(gòu)件作為建筑構(gòu)件和材料，這類建筑截面高寬比限值較高，同時(shí)需要滿足最小配筋率要求，要合理控制承重柱軸壓比。磚混結(jié)構(gòu)的建筑物，采用的構(gòu)造措施有限定房屋總高度和層數(shù)層高；在縱、橫墻中設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱、圈梁；房屋的高寬比、橫墻間距局部尺寸進(jìn)行限值控制，設(shè)置防震縫等，突出屋頂?shù)臉?、電梯間和構(gòu)造柱要延伸到房屋頂部，要與頂部圈梁保持強(qiáng)連接，內(nèi)外墻交接處應(yīng)沿墻高每隔5m設(shè)置長(zhǎng)拉結(jié)鋼筋。拉結(jié)填充墻參與整體結(jié)構(gòu)受力，且對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有較大影響，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。

3　結(jié)語(yǔ)

建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性、系統(tǒng)性工程，從選址到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)建筑設(shè)計(jì)過(guò)程。建筑物抗震設(shè)計(jì)水平高低直接影響到房屋設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，直接關(guān)系到房屋使用者生命財(cái)產(chǎn)安全。我們必須要高度重視房屋抗震性設(shè)計(jì)，采用準(zhǔn)確、合理的抗震設(shè)計(jì)方法，不斷提高房屋抗震性能，為社會(huì)建造更好的房屋建筑項(xiàng)目。

[1]李少華.淺談工民建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014 （20）.

[2]劉君悅.淺談工民建筑結(jié)構(gòu)中的抗震設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2014（6）.

[3]彭妮.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2014（14）.

TU352.1+1

A

1673-0038（2015）51-0087-02

2015-12-8

宋亮（1982-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。