建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王友三

摘要： 建筑工程與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系，對(duì)人們生活安全也有著密切影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)建筑物審美、功能性要求的逐漸提高都促使建筑物在高度、安全性、功能性方面有著顯著提升。其中，建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)對(duì)工程建設(shè)安全性提升起到了關(guān)鍵性作用，加之目前新型材料的應(yīng)用以及施工技術(shù)、管理水平的提升都使得抗震設(shè)計(jì)研究有了更大的應(yīng)用空間。本文就建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探討。

Abstract： Construction engineering and social and economic development are inextricably linked， and have a close impact on people's safety. With the development of technology， as well as people's demand on the building aesthetic and function is gradually increased， so the depth， safety and function of building has been significantly improved. Among them， the seismic design of building structure has played a key role in improving the safety of engineering construction. Due to the application of new materials and the improvement of the construction technology and management level， the seismic design research has more application space. In this paper， the seismic design of building structures is discussed.

關(guān)鍵詞： 建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；優(yōu)化；研究

Key words： building structure；seismic design；optimization；research

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）35-0086-02

1 高層建筑抗震設(shè)計(jì)的必要性探討

高層建筑抗震設(shè)計(jì)對(duì)建筑安全有著重要的影響，因此抗震設(shè)計(jì)如何使建筑物更加穩(wěn)固是目前必須要加強(qiáng)的研究工作。隨著近些年地震災(zāi)害的危害，結(jié)構(gòu)工程師逐漸對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)更加重視，其中工程結(jié)構(gòu)宏觀的“概念設(shè)計(jì)”遠(yuǎn)比“數(shù)值設(shè)計(jì)”抗震效果明顯的多。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的提出是以建筑物宏觀整體為基礎(chǔ)，并根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體進(jìn)行方案的實(shí)施，同時(shí)對(duì)細(xì)部構(gòu)造以及材料進(jìn)行合理使用，以此來(lái)達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有的效果。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件延性、剛度分布要在宏觀上進(jìn)行鑒別、選擇和處理，對(duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)要通過(guò)適當(dāng)計(jì)算及構(gòu)造進(jìn)行消除。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師要充分運(yùn)用自身敏捷的思維能力和判斷能力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本問(wèn)題進(jìn)行確定，并延伸至設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)、振動(dòng)中的結(jié)構(gòu)受力特性等進(jìn)行充分的理解和分析，對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題重點(diǎn)對(duì)待，科學(xué)合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 影響建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的主要因素

建筑結(jié)構(gòu)整體抵御地震作用的能力被稱之為抗震能力，建筑結(jié)構(gòu)的變形能力和承載能力決定了建筑物結(jié)構(gòu)抗震能力的強(qiáng)弱，也直接決定了建筑物在地震過(guò)程中面臨倒塌的風(fēng)險(xiǎn)程度。

一般而言，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震力起到影響作用的因素主要分為以下幾點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)總體布置。高層建筑結(jié)構(gòu)體形設(shè)計(jì)情況、結(jié)構(gòu)是否對(duì)稱、強(qiáng)度剛度變化是否做到連續(xù)、均勻，結(jié)構(gòu)的總體布置水平對(duì)建筑抗震能力有著較大影響。②結(jié)構(gòu)選型。不同的地質(zhì)特征要針對(duì)性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇，超靜定次數(shù)要保證，以此對(duì)地震輸入能量進(jìn)行盡可能的消耗來(lái)提升建筑抗震可靠性。③結(jié)構(gòu)整體性。增強(qiáng)建筑物豎向剛度的同時(shí)要注意各個(gè)構(gòu)件之間的連接情況，保證建筑物的整體性，以此為基礎(chǔ)建立其適應(yīng)地震時(shí)可能發(fā)生的大變形的延性要求。④材料選擇。建筑材料質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量起到了決定性作用，保證建筑材料質(zhì)量是保障后續(xù)施工質(zhì)量和抗震的基礎(chǔ)。⑤剛度、延性強(qiáng)度比例。建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的體現(xiàn)需要相匹配的剛度、延性、強(qiáng)度進(jìn)行合適的配比，這是建筑結(jié)構(gòu)抗震的內(nèi)在需求。⑥建筑場(chǎng)地。建筑施工前要對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行細(xì)致的勘察勘探，選擇有利的施工場(chǎng)地，對(duì)存在不利因素的場(chǎng)地要盡量避讓。⑦施工質(zhì)量。施工過(guò)程中對(duì)材料的使用不當(dāng)、幾何特征的破壞等等都可能會(huì)建筑的實(shí)際抗震能力造成影響。

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意以上建筑抗震能力影響因素，以科學(xué)合理地進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，保證建筑物抗震能力。

3 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（墻）”的原則。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部位進(jìn)行高抗震能力設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載力、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、延性、耗能方面應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，主要耗能構(gòu)件在延性和剛度方面應(yīng)具有較高水平，承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

3.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線

抗震結(jié)構(gòu)體系的完整性是通過(guò)多個(gè)延性較好的分體系支持組成的，各個(gè)體系間通過(guò)延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接并進(jìn)行協(xié)同工作。簡(jiǎn)單以框架剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，即是由延性框架和剪力墻兩部分組成。

在建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到強(qiáng)烈地震過(guò)后的余震，只設(shè)一道防線的情況下，一旦遭遇余震，則建筑物很可能不堪重負(fù)最終倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要使建筑物具備最大可能數(shù)量的內(nèi)部和外部冗余度，同時(shí)建立屈服區(qū)并進(jìn)行合理分布。保證主要耗能構(gòu)件具有較高的延性和剛度、強(qiáng)度，提升吸收和耗散地震能量的能力，使建筑物在地震中避免倒塌或者屹立的時(shí)間更久。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)弱關(guān)系的處理，使地震時(shí)樓層內(nèi)的主要耗能構(gòu)件已經(jīng)屈服的情況下，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍然能夠處于彈性階段以保持“有效屈服”的狀態(tài)，并保持較長(zhǎng)時(shí)間，提升建筑結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力?？拐鹪O(shè)計(jì)中某部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高則會(huì)使其他部位強(qiáng)度不同程度降低，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意對(duì)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，施工過(guò)程中要考慮具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在進(jìn)行構(gòu)件配筋時(shí)易改變抗側(cè)力強(qiáng)度，因此要謹(jǐn)慎對(duì)待。endprint

3.3 設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)薄弱部位提高抗震能力

判斷建筑物薄弱部位的基礎(chǔ)是構(gòu)件的實(shí)際承載能力情況，在強(qiáng)地震發(fā)生過(guò)程中構(gòu)件強(qiáng)度安全儲(chǔ)備并不存在。設(shè)計(jì)時(shí)要保證建筑物樓層實(shí)際承載能力在地震來(lái)臨時(shí)保持均勻變化，當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況實(shí)際承載能力與設(shè)計(jì)計(jì)算值的比值發(fā)生突變，會(huì)因?yàn)樗苄詢?nèi)力的重新分布造成塑性變形。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意局部承載力加強(qiáng)的同時(shí)要保證建筑結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)一致性。對(duì)薄弱部位要有意識(shí)的進(jìn)行控制，提升其變形能力和承載能力，并且保證薄弱層不發(fā)生轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)時(shí)需要將相關(guān)措施進(jìn)行配合設(shè)計(jì)使用。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化方法探討

根據(jù)影響建筑物抗震能力的影響因素以及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化研究，提出相關(guān)方法和措施。

4.1 能力設(shè)計(jì)法

受到地震作用的超靜定性結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)延性破壞，基于此進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震能力設(shè)計(jì)法的應(yīng)用可以在保證滿足抗震要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。能力設(shè)計(jì)法的本質(zhì)是將控制理念與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)相結(jié)合，加強(qiáng)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的能力。能力設(shè)計(jì)法對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能與能力有著較好的控制力，使建筑抗震設(shè)計(jì)難度大大降低。

4.2 基于損傷與能量設(shè)計(jì)方法

建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)中，從能量角度出發(fā)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的進(jìn)行，主要是考慮到建筑結(jié)構(gòu)承受地震影響時(shí)能夠更好地承受其破壞能量，并將能量以有效的形式傳導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部以進(jìn)行分化消散。在發(fā)生地震時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)非彈性變形超過(guò)自身非彈性變形時(shí)，其建筑結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定程度的損傷，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中要將能量理念與非彈性變形相結(jié)合研究，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷納入研究范圍以最終提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力。

4.3 基于位移設(shè)計(jì)方法，降低地震影響力輸入

地震過(guò)程中，由于地震強(qiáng)度的不同建筑物會(huì)進(jìn)行不同程度的位移，以結(jié)構(gòu)位移為參照基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法能夠在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的同時(shí)有效控制建筑物位移情況。建筑抗震結(jié)構(gòu)位移設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，能夠有效滿足各種預(yù)定性能的目標(biāo)要求?；谖灰频脑O(shè)計(jì)方法應(yīng)用能夠使地震強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)自身形成關(guān)聯(lián)性，并在地震時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)，降低地震影響力輸入。

基于位移的結(jié)構(gòu)抗震方法，設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合定量分析，首先要保證建筑結(jié)構(gòu)在收到地震影響時(shí)產(chǎn)生的形變?cè)诮邮芊秶鷥?nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)地震影響力情況確定位移限值和變形值，要研究透徹建筑構(gòu)件變形與位移的關(guān)聯(lián)。同時(shí)，在確定建筑構(gòu)件構(gòu)造時(shí)要考慮建筑界面應(yīng)變分布情況的影響。根據(jù)位移設(shè)計(jì)方法，有效降低地震影響力輸入，保證建筑結(jié)構(gòu)安全性。

4.4 加強(qiáng)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑建設(shè)選擇的結(jié)構(gòu)一般包括三種，即框-筒、筒-中筒以及框架-支撐體系，現(xiàn)在逐漸有更多的鋼鐵結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到建筑工程中?；诂F(xiàn)狀盡量選擇鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，可以有效減小柱斷面尺寸，對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要意義。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，需要從傳統(tǒng)硬性為主的抗震模式逐漸向柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，降低地震產(chǎn)生的影響力。另外，在確定抗震結(jié)構(gòu)后，還需要做好對(duì)建筑材料的選擇，應(yīng)根據(jù)施工需要對(duì)建筑材料性能進(jìn)行全面分析，綜合考慮承載力、延性以及強(qiáng)度等方面要求。

4.5 增加抗震防線

通過(guò)增加抗震防線，在第一道防線遭到破壞后，還可以通過(guò)其他防線降低地震沖擊力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，可以有效提高建筑抗震性能，例如可以選擇用多個(gè)肢節(jié)與壁式框架的“框架剪力墻”結(jié)構(gòu)來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，以剪力墻作為第一道抗震防線，因此為有效提高抗震性能應(yīng)設(shè)置足夠多的剪力墻。減小地震能量的輸入和設(shè)置消能減震構(gòu)件。強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)、外部冗余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。

5 結(jié)束語(yǔ)

高層建筑的發(fā)展與城市的發(fā)展具有密切的聯(lián)系，城市人口的密集、用地緊張，從而促進(jìn)人們對(duì)高層住宅建筑的要求。建筑物的抗震設(shè)計(jì)是衡量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合要求的重要指標(biāo)，因此如何準(zhǔn)確運(yùn)用不同的抗震設(shè)計(jì)方法，合理的選擇與優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系非常重要。經(jīng)濟(jì)與安全的關(guān)系是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要技術(shù)措施。為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)在地震的作用下不被受到嚴(yán)重破壞以及保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全通過(guò)對(duì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證建筑具有良好的抗震性能以及安全性。

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