非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抗震設(shè)計(jì)中的重要性問(wèn)題

何杰

摘 要：隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷進(jìn)步，我國(guó)建筑的抗震能力也得到了一定的提高，但是，面對(duì)復(fù)雜的地震災(zāi)害，我國(guó)建筑還需要進(jìn)一步提高抗震性能?？拐鸬男阅茉O(shè)計(jì)就是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，所以，對(duì)基于性能的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究和分析很有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：非結(jié)構(gòu)構(gòu)件；抗震設(shè)計(jì)；重要性問(wèn)題

由于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不受主體結(jié)構(gòu)的破壞，在設(shè)計(jì)和施工中容易被忽視，這將很容易破壞非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，造成巨大的破壞。有許多非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中首先倒塌傷人、砸壞設(shè)備、破壞主體結(jié)構(gòu)，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

1 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的定義與分類

所謂非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，是指一般不屬于構(gòu)件的主要結(jié)構(gòu)，包括施工中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑附屬機(jī)電設(shè)備兩大類。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造分為三類，第一類是結(jié)構(gòu)組件（例如，女兒墻、雨篷、跨級(jí)密封墻），第二類裝飾品（如，貼面、頂棚、懸吊重物等）、第三種類型非結(jié)構(gòu)墻體（例如，內(nèi)隔墻、擋土墻、框架填充墻）。

2 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震破壞的原因

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)遭受破壞的主要原因有兩個(gè)，即慣性力作用和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形.地震時(shí)，房屋的各個(gè)部分均受到慣性力的作用.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滑移或傾斜程度以及所承受地震側(cè)力的大小，均影響其使用或安全.因此在設(shè)計(jì)時(shí)必然要考慮到這種慣性力的作用.另外，當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到地震作用后，發(fā)生變形，改變?cè)瓉?lái)的幾何形狀.強(qiáng)烈地震時(shí)，建筑頂層側(cè)移很大，窗戶、填充墻等嵌在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可能因不適應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的變形，發(fā)生破碎、掉落，出現(xiàn)裂縫，甚至倒塌.由此可見(jiàn)，除了考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件所受到的慣性力外，還須考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在地震時(shí)的變形對(duì)其可能的影響。

3 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震反應(yīng)分析方法

規(guī)范給出了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的水平地震作用的計(jì)算方法有等效側(cè)力法及樓面反應(yīng)譜法，二者的計(jì)算公式如下：

等效側(cè)力法水平地震作用計(jì)算公式：F=yηζ1ζ2amaxG

樓面反應(yīng)譜法水平地震作用計(jì)算公式：F=yηβsG

在這兩個(gè)公式當(dāng)中，F(xiàn)表示的是沿最不利方向施加于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；Y表示的是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能系數(shù)；η表示的是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù)；G表示是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力；ζ1表示的是狀態(tài)系數(shù)；ζ2表示的是為位置系數(shù)；amax表示的是地震影響系數(shù)最大值；βs表示的是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的樓面反應(yīng)譜值。

等效側(cè)力法對(duì)只在一個(gè)樓層有支點(diǎn)的附屬系統(tǒng)，稱為單支點(diǎn)系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算通過(guò)對(duì)大量建筑不同樓層上的不同周期的附屬系統(tǒng)反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，直接給出附屬系統(tǒng)的地震作用簡(jiǎn)化公式。樓板反應(yīng)譜是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地面反應(yīng)譜，這反映了非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)力特性本身，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的樓層位置，以及結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)阻尼特性的地震地面運(yùn)動(dòng)放大。當(dāng)樓層反應(yīng)譜法進(jìn)行時(shí)，非結(jié)構(gòu)部件通常采用單點(diǎn)模型。兩個(gè)計(jì)算公式的區(qū)別在于地震動(dòng)力大小的估算，當(dāng)彈性的或彈性連接的附屬系統(tǒng)的重力超過(guò)所在樓層的1%，或與建筑物剛接的剛性附屬系統(tǒng)的重力超過(guò)所在樓層的10%時(shí)，不宜使用等效側(cè)力法，而宜采用樓面譜程序計(jì)算附屬系統(tǒng)的地震力。所以我們通常采用樓面反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算。而規(guī)范地給出樓層反應(yīng)譜，不包含主系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，作為輸入和要求有不同的自然周期振動(dòng)的單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)頻譜，其優(yōu)點(diǎn)是解耦，避免了主要解決系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。但由于它沒(méi)有考慮子系統(tǒng)與主系統(tǒng)之間的相互作用等四個(gè)因素，造成的地板譜有較大的誤差，在某些情況下，誤差可以是多次的。 這四個(gè)影響因素包括了：

質(zhì)量比。當(dāng)附屬系統(tǒng)與主系統(tǒng)樓層的質(zhì)量比大于0.001時(shí)，附屬系統(tǒng)對(duì)主系統(tǒng)相應(yīng)樓層的反應(yīng)有明顯影響。

諧振。當(dāng)子系統(tǒng)的自振周期與主系統(tǒng)自振周期相等或接近時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生強(qiáng)相互作用，“減振器效應(yīng)”，則附屬系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，而主系統(tǒng)反應(yīng)，大大減弱，也主要系統(tǒng)的自振周期將發(fā)生轉(zhuǎn)變。

非經(jīng)典阻尼。當(dāng)系統(tǒng)與主系統(tǒng)的阻尼特性不一致時(shí)，組合系統(tǒng)具有非經(jīng)典阻尼特性。在共振的情況下，它的影響是不容忽視的。在這個(gè)時(shí)候，阻尼矩陣不是對(duì)角矩陣，形成一個(gè)阻尼耦合運(yùn)動(dòng)方程，不能用基于杜哈妹積分疊加法求解。

多支座激勵(lì)。當(dāng)附屬系統(tǒng)在主系統(tǒng)不同樓層有支點(diǎn)時(shí)，不同支點(diǎn)間的相互運(yùn)動(dòng)還會(huì)引起附屬系統(tǒng)中的附加內(nèi)力，即‘偽靜力效應(yīng)。

為克服規(guī)范中所述的樓面反應(yīng)譜法的缺點(diǎn)，應(yīng)在基于求解由主系統(tǒng)和安裝在不同樓層上的單自由度附屬系統(tǒng)組成的組合系統(tǒng)中附屬系統(tǒng)的地震反應(yīng)，這樣就綜合考慮了上述四個(gè)因素的影響。從而得到更可靠的樓面反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果。為建立樓面反應(yīng)譜，把自振周期設(shè)在0～6s范圍內(nèi)的附屬系統(tǒng)的地震反應(yīng)，用時(shí)程積分法求解，對(duì)不同的地震記錄，不同周期的附屬系統(tǒng)，積分求解組合這包含極大的工作量。采用濾波白噪聲表示地面運(yùn)動(dòng)，用隨機(jī)振動(dòng)法通過(guò)峰值系數(shù)直接得到樓面反應(yīng)譜。 研究樓面反應(yīng)譜的目的是為附屬系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)提供反應(yīng)譜。有了樓面反應(yīng)譜，只要知道附屬系統(tǒng)本身的自振周期、質(zhì)量和阻尼，就可查出其地震力，而不需要分析主系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，文章所述的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)僅限于驗(yàn)算設(shè)備的支架、連接件或錨固件的抗震能力，不包括設(shè)備自身的抗震能力。

4 各類非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抗震設(shè)計(jì)中要注意的主要問(wèn)題和應(yīng)采取的措施

我們對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震問(wèn)題要有充分的認(rèn)識(shí)，對(duì)特定類型的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采取針對(duì)具體設(shè)計(jì)，采取措施加強(qiáng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性，進(jìn)一步加強(qiáng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的細(xì)部設(shè)計(jì)與改進(jìn)。第一類是附屬會(huì)員，如女兒墻、雨篷、低交叉密封墻和其他組件。主要的地震問(wèn)題是防止倒塌，措施是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，并使之與主體結(jié)構(gòu)可靠錨固連接。第二類為裝飾物，如貼面、頂棚、懸吊重物等。主要的地震問(wèn)題是防止破壞和裝飾的主要措施。重要的單板和裝飾，也可以用在靈活的連接上，即使主體結(jié)構(gòu)在地震中有較大的變形，也不能損壞和裝飾單板。第三類非結(jié)構(gòu)墻體，如內(nèi)墻、墻、框架墻等。根據(jù)材料的不同和主體結(jié)構(gòu)的連接情況，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)有不同的影響，如：主結(jié)構(gòu)的橫向剛度發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用內(nèi)力分布發(fā)生變化。主體結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞，如局部高度的墻，形成短柱，柱的脆性破壞。第四類是輔助機(jī)械和電氣設(shè)備等，它與建筑物連接，通過(guò)支撐、固定，設(shè)備應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，并應(yīng)與建筑物連接，使該設(shè)備能在地震后迅速恢復(fù)受地震強(qiáng)度的影響。當(dāng)然，在機(jī)電設(shè)備的建設(shè)中，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，以防止系統(tǒng)的施工和共振現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件雖然不是主要結(jié)構(gòu)，但在設(shè)計(jì)中容易被忽視。但作為工程技術(shù)人員，應(yīng)是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的同等程度的重要程度來(lái)提高其重視程度。只要我們繼續(xù)加強(qiáng)業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)，提高設(shè)計(jì)水平，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)規(guī)范，對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震造成的破壞可以減少和避免。

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