關于建筑結構設計中的抗震設計分析

安少杰

（銅仁市建筑勘察設計院有限公司 貴州銅仁 554300）

在建筑結構設計工作中，抗震設計實際上是一個十分重要的內(nèi)容，其設計質(zhì)量和效果對建筑整體安全有直接影響，必須引起相關設計人員的高度重視，切實根據(jù)結構實際情況制定有效的抗震設計措施，以此保證結構抗震設計的合理性與可行性。

1 材料和體系

我國建筑高度超過150m的建筑，所用結構體系，均為其它國家常用體系。但在地震區(qū)，主要采用鋼結構，我國混合結構和鋼筋混凝土約占90%，從抗震角度講，還未經(jīng)受太大考驗。我國對混合結構有不同的看法，存在很大的爭論。之所以采用這種結構，主要是因為其用鋼量少于鋼結構，還能縮減柱子的截面，業(yè)主容易接受。在混合結構中，內(nèi)筒需要承受至少80%的剪力，部分可以超過90%。因結構的重點是核心筒，在變形控制方面需要將結構位移限值作為設計基準；因內(nèi)筒有較大高寬比，側向移動很大，采用鋼框架來減小這種側向移動，除了會增加結構整體負擔，還難以發(fā)揮最佳效果，需要增加剛度來滿足規(guī)范要求；為保證安全，現(xiàn)行規(guī)范對框架提出了其承擔的剪力需要達到底部剪力1/4，最終導致鋼材實際用量大幅增加；對混凝土筒而言，其軸向壓力和高度呈正比關系，為滿足延性要求，需要增加筒壁厚與配筋，使實際用鋼量同樣明顯增加。另外，因鋼柱和內(nèi)筒結構豎向變形性能有所不同，溫度和徐變等會使結構產(chǎn)生附加內(nèi)力；從構造角度講，部分結構為有效增加結構剛度，把內(nèi)筒和鋼梁做成剛接，在增加施工操作難度的同時，降低連接可靠度，對加工精度相差極大的構件嚴格按照要求進行連接是很困難的，通常無法實現(xiàn)剛接[1]。

采用核心筒結構體系，能節(jié)省一定量的鋼材，但可以節(jié)省多少，需要進行更深入的分析?；谖覈緡?，已不再是能節(jié)省材料才最好。針對混合結構，其抗震性能和提高性能而采取的有效措施需要有深入的認識。比如，某結構高度在30～40層范圍內(nèi)，內(nèi)筒和外框架的側向變形偏差與豎向變形偏差較易協(xié)調(diào)，該結構體系較為合理；如果結構高度更高，則要仔細設計，設計的合理性和所用措施要進行認真研究。另外，該體系內(nèi)筒結構以鋼骨混凝土為宜，確保鋼骨和鋼梁能可靠連接。

筒中筒結構體系以鋼筋混凝土為主，在國外，尤其是地震區(qū)是非常少見的。對于密柱深梁框筒，要達到梁鉸屈服是有很大難度的。對此，采用該結構體系時，應對框筒能否達到梁鉸進行深入考慮，確認能否達到延性要求。應注意，為便于設計，在相關規(guī)范中針對不同設計條件都給出了一定簡化，工程師應根據(jù)不同情況進行有針對性的分析與判斷[2]。

2 構件的變形能力和軸壓比

對于采用鋼筋混凝土結構體系的建筑，一般為了對柱軸壓比進行控制，需要增加柱截面，但其縱向鋼筋采用構造配筋，即便為高強混凝土，柱截面也不會有太大的減小。軸壓比主要和塑性變形能力有關，而變形能力還會對結構延性造成很大影響。如果柱處在小偏壓的實際受力狀態(tài)，混凝土一旦被壓碎將失去承載能力，減小了塑性變形能力?，F(xiàn)行規(guī)范提出，對于三級抗震柱，其軸壓比限值是對稱配筋柱數(shù)值偏壓的界限。要向放寬這一限值，需要減小柱的延性。然而，需要注意以下兩個情況：①在框架中如果可以做到強柱弱梁，并且梁具有一定巖性，則柱不會進入屈服，可對這一限值予以放松；②很多高層建筑的以下幾層柱盡管長細比在4以內(nèi)，但可能不是短柱，當剪跨比在2以內(nèi)時才算短柱。另外，即便能對限值進行調(diào)整，增大也會受到限值，柱截面不會因為限值的增加而有所減小。對此，在抗震設計中能否使用這一結構體系還需要進一步的商榷。

剪力墻也存在變形能力方面的問題，相關研究表明，如果剪力墻受到壓彎作用，和柱相同，若處在小偏壓實際狀態(tài)，墻體延性相對較差，而且即便處于大偏壓實際狀態(tài)，如果軸壓比相對較大，則受壓區(qū)邊緣處的應力相對較高，若混凝土無約束或現(xiàn)有的約束不足，混凝土會產(chǎn)生豎向裂縫，嚴重時將產(chǎn)生壓碎，導致構件失去變形與承載能力。相關試驗表明，除軸力之外，所有對受壓區(qū)高度有直接影響的因素，都會對剪力墻自身變形能力造成影響。

在當前的設計規(guī)范當中，未提出軸壓比限值，并且邊緣處構件實際配筋量和墻體實際受力狀態(tài)沒有直接關系。造成軸壓比相對較大的部位，其約束箍筋梁不足，而軸壓比相對較小的部位，其約束箍筋量卻較多。相關研究表明，在設計規(guī)范中對上述要求做明確規(guī)定是極為必要的。

對有抗震需求的建筑，鋼骨混凝土積極有利，除了可以減小柱的截面，減薄墻厚，而還能提高結構抗震性能。我國已經(jīng)投入大量研究與實踐，同時編制了相應的規(guī)程，預計采用這種結構的建筑將越來越多。同樣，鋼管混凝土也能減小柱的截面，但其傳力性能和節(jié)點構造還需要進一步分析與研究[3]。

3 以位移為基礎的抗震設計

在現(xiàn)行抗震設計工作中，通常是將承載力作為基礎進行的。表示為，采用彈性方法對結構處于小震條件下的位移和內(nèi)力進行計算；根據(jù)組合能力對構件的截面進行驗算，保證結構具有足夠承載能力；而位移限值則是使用過程中的要求，能對非結構構件予以保護；結構自身延性與耗能水平需要采取構造措施來獲得。對構造措施而言，它的目的在于防止結構在大震過程中發(fā)生倒塌，但很多設計人員都無法掌握其實際性能。

從過去的地震災害中可以看出，結構產(chǎn)生倒塌與破壞的原因為變形超過預期，超出構件可以承受的極限。以位移為基礎的抗震設計，應開展定量分析，保證結構自身變形能力可以滿足受到地震作用后的要求。在設計中所指的預期地震，主要指的是大震。所以除了要對構件承載力進行驗算，需要對位移延性比進行嚴格控制；以構件變形和結構位移之間的關系為依據(jù)，能確定構件實際變形量。同時，以截面應變實際分布與大小為依據(jù)，還能確定具體的構造要求[4]。

確定大震條件下結構層間位移角及其移值，是抗震設計關鍵內(nèi)容，其本質(zhì)在于確定最大震害程度，并實現(xiàn)地震后結構可以正常使用的目標。基于不同目標進行的設計是有很大不同的。如果大震后建筑可以正常使用，或僅作簡單的維修即可使用，則位移角限制將較嚴格，構造尺寸及配筋應較大；如大震中結構可以破損，則可適當放松要求。在現(xiàn)行規(guī)范中，框架受到大震作用后，其位移角限值等于1/50，此時，柱將出鉸，整體結構遭到嚴重的破壞，失去使用功能，但不會倒塌[5]。

那么在大震條件下位移限值多少為最佳，要考慮以下兩個問題：①抗震投資，大震重現(xiàn)期至少有2千年，建筑設計基準期只有50年；②針對不同種類的結構體系，位移角和結構破壞間應明確關系，做量化分析。其中，第一點和基本國情有關，而第二點則需要開展深入研究。

對于鋼筋混凝土，其層間位移角實際能力及其和結構破壞程度之間的關系，主要和塑性鉸區(qū)具有的變形能力存在直接關系。對于截面變形能力，主要由受壓區(qū)實際高度決定?；炷量梢赃_到的最大壓應變，和箍筋約束力有關，也就是箍筋形式及含箍特征值?；诖耍苄糟q區(qū)截面上存在的約束箍筋，需要根據(jù)變形能力具體要求來確定。

以高寬比在10以上，配筋為對稱形式的剪力墻為例，通過試驗可知，如果頂點處位移的實際延性比等于3，并且截面和受壓區(qū)之間的相對高度在0.12以內(nèi)，則無需在墻端處采用約束構件；如果壓區(qū)高度等于0.28，則要設置長度為墻肢截面長度20%的約束構件，且含箍特征值應能達到0.3；如果壓區(qū)高度超過0.28，則需要更大的約束作用范圍和更高的含箍特征值，否則將難以達到預期目標[6]。

從鋼筋混凝土結構角度講，確定塑性鉸區(qū)中的約束箍筋過程中，其變形能力必須滿足超出變形要求。當前在我國設計規(guī)范中要求的建筑抗震等級，有按照要求對配筋構造進行區(qū)分的模型，但和預期的定量分析及量化要求還存在很大的距離，應切實加強這一方面的分析研究。為做好以位移為基礎的抗震設計，首先要對普通結構發(fā)生的變形和配筋之間的關系進行分析，因此完成根據(jù)變形要求來設計構件；然后對結構達到彈塑性后和普通構件之間的關系進行分析。但這要求在小震計算的基礎上，按照大震開展變形設計，即二階段的結構抗震設計。為使這一設計更好的應在實際工程中，還要分析和解決很多問題，包括層間位移交和結構發(fā)生的破壞之間的關系，截面性能和構件變形之間的關系，不同重要性結構對破壞程度提出的要求怎樣區(qū)別，實用且可靠的彈塑性研究程序，將研究成果轉化成容易投入應用的設計方法和計算方法[7]。

4 結束語

經(jīng)濟和安全之間的關系，是現(xiàn)階段建筑結構抗震設計主要技術政策。事實上，目前我國建筑工程造價多被其它方面占據(jù)，真正用于抗震的很少。對目前抗震設防標準進行適當?shù)奶岣?，費用增加往往有限，但能帶來很好的效果，安全度能得以大幅提高，使結構功能和國際接軌，最終使國家與人民得利。