淺議建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計

劉奕君

摘要：建筑的施工不同于傳統(tǒng)的地上工程，相比一般的地上工程其面臨的情況更為復(fù)雜，對于安全性而言，抗震是最需要考慮的，還需要綜合考慮成本、地質(zhì)條件、方案選擇與評價標準等多個因素，地質(zhì)條件的考慮尤為重要。因此建筑工程抗震設(shè)計的制定必須經(jīng)過一個嚴格而復(fù)雜的程序。為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，滿足不同性能目標要求，結(jié)合我國現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范及高層建筑結(jié)構(gòu)實例，從場地的選擇、結(jié)構(gòu)的剛度、規(guī)則性、多道設(shè)防等方面，淺議結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計；高層建筑；抗震設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計一般包括概念設(shè)計和參數(shù)設(shè)計兩個范疇。概念設(shè)計是指根據(jù)地震震害和工程經(jīng)驗等形成的基本設(shè)計原理和設(shè)計思想對結(jié)構(gòu)進行總體布置并確定其細部構(gòu)造的過程。概念設(shè)計強調(diào)在工程設(shè)計一開始就應(yīng)從建筑場地選擇、建筑體型、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)體系、延性、多道設(shè)防等方面在總體上進行把握，靈活而合理地應(yīng)用抗震設(shè)計基本原則和設(shè)計思想。

一、概念設(shè)計的重要性

概念設(shè)計是展現(xiàn)先進設(shè)計思想的關(guān)鍵，一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計，并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。強調(diào)概念設(shè)計的重要，主要還因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設(shè)計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，這一矛盾使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。同時計算機結(jié)果的高精度特點，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來對結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。

概念設(shè)計之所以重要，還在于在方案設(shè)計階段，初步設(shè)計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念、深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運用它們。

二、造成建筑物震害的原因

造成建筑物震害的原因是多方面的，場地條件是其中之一，國內(nèi)外震害資料表明，建于不同地質(zhì)條件場地上的建筑物在地震時的破壞是明顯不同的。為了減少地震災(zāi)害，就因注意以下幾點：

a、避開地震危險地段。地震危險地段是指地震時可能發(fā)生的滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯位的部位。

b、避開抗震不利地段

抗震不利地段就巖土特性而言是指軟弱土、液化土、以及平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（如故河道、斷層破碎帶、暗埋的塘濱溝谷及半填挖基礎(chǔ)等），就地形而言是指條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡的邊緣。

c、遠離河岸。

d、不跨在兩類土層上。

e、不采用震陷工作天然地基。如：可液化土，軟弱土等。

三、建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計

在選擇結(jié)構(gòu)剛度時，取決于多種因素：結(jié)構(gòu)體系、材料特性、工程造價、建筑場地土的特性等方面，并非剛度越大越好。結(jié)構(gòu)的規(guī)則性一般指結(jié)構(gòu)平面布置均勻、對稱并具有較好的抗扭剛度；結(jié)構(gòu)豎向布置均勻、結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和質(zhì)量分布均勻、無突變。

為了保證結(jié)構(gòu)的簡單性和規(guī)則性，首先應(yīng)以建筑體型的簡單性和規(guī)則性為前提。地震區(qū)的高層建筑，平面以方形、矩形、圓形為好，帶有較長翼緣的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面不宜采用，因為這些平面的翼緣較長，地震時容易發(fā)生差異側(cè)移而加重震害。

事實上，由于城市規(guī)劃、建筑藝術(shù)和使用功能等多方面的要求，建筑不可能都設(shè)計成方形或者圓形。我國《高層建筑混能土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3——2002）（簡稱《高規(guī)》），對地震區(qū)高層建筑的平面形狀作了明確規(guī)定，并提出對這些平面的凹角處，應(yīng)采取加強措施；同時指出，當平面突出部分的尺寸L/B<1、L/B max <0.3，且質(zhì)量和剛度在平面上的分布基本均勻?qū)ΨQ時，可以認為屬于平面比較規(guī)則的建筑。

對稱結(jié)構(gòu)在地面平動作用下，一般僅發(fā)生平移震動，因而各構(gòu)件受力比較均勻，而非對稱結(jié)構(gòu)，由于剛心偏在一邊，質(zhì)心與重心不重合，即使在地面平動作用下，也會激起扭轉(zhuǎn)震動。1972年尼加拉瓜的馬那瓜地震，位于市中心的兩棟相鄰高層建筑的震害對比，有力的說明結(jié)構(gòu)偏心會帶來多大的危害。15層的中央銀行，有一層地下室，采用框架體系，兩個鋼筋混凝土電梯井和兩個樓梯間均集中布置在平面右端，同時右端山墻還砌有填充墻，造成很大偏心，地震時的強烈扭轉(zhuǎn)震動，一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞嚴重，修復(fù)費用高達房屋原造價的80%。另一幢是18層的美洲銀行，有兩層地下室，采用對稱布置的鋼筋混凝土芯筒，地震后，僅3～17層連梁上有細微的裂縫，幾乎沒有其他非結(jié)構(gòu)部件的損壞。

地震區(qū)高層建筑的立面也要求采用矩形、梯形、三角形等均勻變化的形狀，盡量避免采用帶有突然變化的階梯形立面。我國《高規(guī)》規(guī)定：對于有抗震設(shè)防要求的建筑物，建筑的豎向體型應(yīng)力求規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)斂，當立面收進部分的尺寸比值符合B1/B≥0.75要求的建筑物，可以認為是豎向較規(guī)則的建筑物。

多道抗震防線對保障結(jié)構(gòu)抗震的安全性至關(guān)重要。一般地震發(fā)生時地面強烈振動會持續(xù)一段時間，而且強震之后往往會跟隨一些余震，地震持時造成的損傷累積常常是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因。如果結(jié)構(gòu)僅有一道防線，則當該道防線破壞后，后續(xù)的地震動將會造成結(jié)構(gòu)的倒塌。但若有多道防線，則在第一道防線被沖壞后，第二道乃至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立刻發(fā)揮作用，抵擋后續(xù)的地震動，使結(jié)構(gòu)免于倒塌，在遇到建筑物基本周期與地震動卓越周期相同或接近的情況時多道防線就更顯示出其優(yōu)越性，從而提高建筑的抗震安全可靠度。

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