建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及策略

方靜

摘 要：本文結(jié)合具體工程案例，探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及策略，分析其中存在的相關(guān)問題，如抗震強度、結(jié)構(gòu)方案、抗震防線等方面的問題，明確問題出現(xiàn)的主要原因，提出可行性建議，并設(shè)計針對性解決對策。觀察抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計實際應(yīng)用效果，注重收集反饋、累積經(jīng)驗，如此才能避免給抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計留下隱患，提升建筑結(jié)構(gòu)整體抗震性能，并為后續(xù)的相關(guān)研究提供可靠參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題；策略

1 前言

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)。為進一步提升電力建筑安全性，很多電力工程開始考慮如何有效提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，完善抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以期規(guī)避以往的類似問題，提升了電力建筑抗震性能，并取得了初步效果，讓電力建筑水平亦得到了有效提升。

2工程概況分析

以某市某變電站工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，探究抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計及策略。已知工程用地面積1.379hm2，圍墻內(nèi)占地面積0.56hm2，主要建筑占地面積2260m2，建筑面積6652m2，共5層，總高28.7m。本工程抗震分組第一組，抗震設(shè)防烈度6度，場地類別Ⅰ1類，基礎(chǔ)持力層為可塑狀粘土，框架抗震等級四級，甲級基礎(chǔ)設(shè)計。

3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

3.1抗震強度問題

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，會因各個方面的因素影響，使得建筑本身的抗震強度較弱，如設(shè)計階段的薄弱環(huán)節(jié)、墻體裂縫等。若干預(yù)不及時，會讓建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震性能直線下降，難以滿足應(yīng)用需求[1]。

3.2結(jié)構(gòu)方案問題

因需滿足工藝要求，在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，更多的是關(guān)注建筑空間、布局上的便利性，忽略了結(jié)構(gòu)的安全性、合理性，更是忽略了抗震性能，使得初期建筑方案在建筑物水平剛度、側(cè)移上未考慮到位，從而可能面臨抗震性能不足的問題。

3.3抗震防線不達標

在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，往往會基于相關(guān)規(guī)范、標準來設(shè)計抗震防線，但在實際抗震時，卻未形成多道抗震防線，使得在承受地震作用時，往往會造成建筑整體結(jié)構(gòu)的損害，使得其不具備抵御下次地震災(zāi)害的能力。

3.4未進行全面的抗震設(shè)計驗證

為保障建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計能滿足建筑抗震需求，需進行抗震性能驗證。因建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機構(gòu)龐大，要進行實際測試驗證不太現(xiàn)實，故而需就其突出部分進行側(cè)重性驗證，預(yù)估其整體抗震效果。但在實際的建筑驗證時，還未形成規(guī)范的、標準化的驗證路徑，使得地震驗證結(jié)果存在片面性[2]。

4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略

4.1提升抗震強度

（1）引入抗震加固技術(shù)，包括：增加構(gòu)件加固法、增加截面加固法、外包鋼、預(yù)應(yīng)力加固法、粘鋼加固法、繞絲法、高性能鋼絲網(wǎng)復(fù)合砂漿薄層加固技術(shù)、碳纖維加固法、植筋錨固技術(shù)、增強自身整體加固法等，以增強自身整體加固法為例，主要包括兩種形式：壓力灌注水泥漿加固法，可灌注混凝土構(gòu)件裂縫、磚墻裂縫；壓力灌注環(huán)氧樹脂漿加固法，適用于有裂縫的鋼筋混凝土構(gòu)件，可提升建筑磚墻整體穩(wěn)定性、強度，提升抗震能力[3]。

（2）其他方法，包括：建筑物平面布置，豎向布置避免抗震不利的不規(guī)則形式；建筑構(gòu)件做到強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件；設(shè)法提高建筑物延性破壞能力；采用隔振，消振的各種措施，阻尼墊阻尼棒；避免共振，設(shè)法自振周期避開地震周期；對薄弱部位加強構(gòu)造。

4.2結(jié)構(gòu)方案調(diào)整

（1）嚴格遵守相關(guān)規(guī)范抗震要求，依據(jù)GB55001-2021工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范、JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范等選取參數(shù)。因防烈度滿足要求，可設(shè)加速度0.05g、特征周0.35；在滿足工藝需求、建筑布局的情況下，調(diào)整平面布局，嚴控不規(guī)則結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)、剛度突變。

（2）分析建筑結(jié)構(gòu)的整體架構(gòu)，關(guān)注建筑薄弱處，確保建筑沿墻體平面外方向截面尺寸≥0.4m；拉通縱向兩側(cè)邊緣，設(shè)置抗側(cè)裝置，且保證拉通設(shè)置的縱向抗側(cè)結(jié)構(gòu)框架梁高度不應(yīng)≥0.4m；無框架梁跨內(nèi)邊梁、外邊梁間距≤3.6m；內(nèi)邊梁作框架梁使用，與薄弱墻體兩側(cè)平面外相交時，要求梁端支座薄弱墻體厚度≥0.25m；在墻體布置時，要求沿薄弱墻體平面外方向截面尺寸≥0.3m，并可結(jié)合實際情況隨時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，使其更具可靠性。

（3）內(nèi)天井結(jié)構(gòu)平面設(shè)置時，必須滿足以下標準：連廊有效結(jié)構(gòu)寬度≥2m；在連廊縱向布設(shè)框架梁，其中連廊跨度＞5m時，要求寬度≥0.25m；若連廊寬度＞7m，要求寬度≥0.30m。在連廊中部設(shè)立保護裝置時，需結(jié)合連廊整體結(jié)構(gòu)展開；因連廊平面內(nèi)剛度較小，參考實際受力，補充計算結(jié)構(gòu)各項參數(shù)指標，具體布置還可結(jié)合實際情況加以調(diào)整。

（4）在內(nèi)天井周邊布置抗側(cè)結(jié)構(gòu)，不再選擇設(shè)置無框架梁跨，保持梁高≥0.4m，其中墻體平面與內(nèi)天井周邊框架梁外相交時，要求墻體厚度≥0.25m；在設(shè)置特殊位置墻體時，要求沿墻體平面外方向界面尺寸≥0.3m。

4.3設(shè)計多道抗震防線

設(shè)計多道抗震防線，遵循的是“小震不壞、中震有修、大震不倒、抗震設(shè)防”原則，關(guān)注以下要點：

（1）分析建筑結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成。由多種延性體系組成，不同分體系進行延性結(jié)構(gòu)合理連接，可提升抗震效果。以建筑薄弱位置為例，其結(jié)合延性框架布置抗震裝置，在發(fā)生地震時，某分體系受損、破壞，其他分體系可組合構(gòu)成防震放線；就內(nèi)力分布層面而言，整體結(jié)構(gòu)能布置多道抗震防線以地域破壞，避免建筑倒塌。

（2）保持建筑結(jié)構(gòu)簡單性，結(jié)構(gòu)均勻性、規(guī)則性。要求建筑結(jié)構(gòu)在承受地震作用時，能有明確、直接的傳力途徑，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、計算模型、限制薄弱位置、位移分析等相較容易把握，在結(jié)構(gòu)抗震性能估計上較為可靠。

（3）提升建筑結(jié)構(gòu)剛度、抗震能力。因水平地震是雙向的，故而要求結(jié)構(gòu)布置能讓建筑抵御來自各個方向的地震，確保結(jié)構(gòu)沿平面上主軸方向有足夠的抗震能力、剛度等。選擇結(jié)構(gòu)剛度時，結(jié)合施工場地特征，盡量減少地震作用效應(yīng)，嚴控結(jié)構(gòu)變形增大情況，同時還需結(jié)構(gòu)保持較大的抵抗扭轉(zhuǎn)振動、扭轉(zhuǎn)剛度能力。

（4）保持結(jié)構(gòu)均勻性、規(guī)則性。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，沿建筑豎向，均勻布置建筑結(jié)構(gòu)、造型，避免出現(xiàn)傳力途徑、承載能力、剛度突變，起到限制結(jié)構(gòu)在豎向某樓層出現(xiàn)敏感部位，以防這部分出現(xiàn)較大變形、應(yīng)力集中，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。均勻布置平面結(jié)構(gòu)，讓建筑物分布質(zhì)量形成的地震慣性力能以直接、較短的途徑傳遞，且能讓結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布協(xié)調(diào)，限制剛度、質(zhì)量間的偏心。同時結(jié)構(gòu)平面均勻布置能預(yù)防薄弱的子結(jié)構(gòu)直接被破壞、倒塌，在承受地震作用時，讓各個子結(jié)構(gòu)重新分布，提升結(jié)構(gòu)自由度數(shù)量，提升結(jié)構(gòu)耗散地震能量的能力。

（5）保證結(jié)構(gòu)整體性。樓蓋在結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計上發(fā)揮相對重要的作用，等同于水平隔板，可凝聚、傳遞慣性力到其他豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)，并讓子結(jié)構(gòu)可協(xié)同承受地震力。尤其是當(dāng)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、不均勻或者機構(gòu)水平變形呈不同特征時，就需發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)作用，依靠樓蓋整合各抗側(cè)力。在保證樓板體系平面抗力、剛度時，還需連接豎向各子結(jié)構(gòu)，若結(jié)構(gòu)空曠、平面凹凸不平、狹窄或者樓蓋上開有較大洞口時，不能削弱樓蓋體系，應(yīng)結(jié)合抗震需求進行具體化分析，再提出解決對策。

4.4抗震設(shè)計驗證

結(jié)合抗震設(shè)計驗證結(jié)果，確定建筑抗震結(jié)構(gòu)的適用性、有效性，基于此調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，可沿建筑兩個主軸方向計算地震作用，關(guān)注以下驗算要點：

（1）截面抗震驗算。計算截面抗震能力S，主要針對的是建筑的重力載荷SGE、風(fēng)載SWK、豎向地震SEVk、水平地震SEHk等，效應(yīng)基本組合以下公式1：

S=rGSGE+rEhSEhk+rEVSEVk+ΨWrWSWK? ? ? ? ? ?（1）

上式中各分項系數(shù)，rG取值1.0或者1.2；rEh=rEv，取值0.5或者1.3；rW取值1.4，ΨW一般取值0，若是高層建筑取值0.2。

具體抗震表達式以下公式2所示：

S≤R/rEV? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中R指的是建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計值，rEv指的是承載力抗震調(diào)整系數(shù)，一般取值≤1.0。

（2）結(jié)構(gòu)抗震變形驗算。主要包括兩部分內(nèi)容：地震頻發(fā)地帶的建筑結(jié)構(gòu)彈性變形驗算、地震罕遇的建筑結(jié)構(gòu)彈性變形驗算，其中前者主要是為保證建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在面對小型地震時不會出現(xiàn)損害。具體驗算公式如下式3所示：

Λue ≤[θe]h? ? ? ? ? ? ? ?（3）

△ue指的是多遇地震作用標準值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移；θe指的是層間彈性位移角限值，h指的是層高，單位m。

進行地震罕遇的建筑結(jié)構(gòu)彈性變形驗算，主要是為了保障建筑在大震作用下不會倒塌。在驗算時，針對建筑結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)彈塑性變形展開驗算，其中結(jié)構(gòu)受剪薄弱樓層，指的是彈塑性變形集中的某一層后者幾層，稱為薄弱樓層；而薄弱樓層位置處，當(dāng)結(jié)構(gòu)強度、屈服強度系數(shù)等參數(shù)沿建筑高度均勻分布時，結(jié)構(gòu)薄弱層在底層，反之，若是屈服強度系數(shù)、剛度分布不均時，建筑結(jié)構(gòu)薄弱層在屈服強度系數(shù)最小層、相鄰層較小層。進行彈塑性變形驗算時，薄弱層層間彈塑性位移△up計算方法如下式4所示：

△up=np·△ue? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

其中np指的是放大系數(shù)，△ue指的是彈性位移。

（3）按照上述公式計算得出結(jié)果，再結(jié)合當(dāng)?shù)氐卣鹱饔?、重力代表值、地震作用效?yīng)組合、地震影響系數(shù)等，展開重復(fù)性的抗震驗算，結(jié)合設(shè)防烈度展開審核，并需檢驗建筑整體布置是否滿足使用功能標準。而針對進行局部改造或者抗震加固的建筑，不需進行抗震變形驗算，但若進行了加層改造，則需展開抗震變形驗算。

4.5其他抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

除了上述各項結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法外，因建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及多方面內(nèi)容，故而還需關(guān)注到其他方面的優(yōu)化設(shè)計，具體包括以下內(nèi)容：

（1）框架柱箍筋設(shè)置優(yōu)化，將箍筋設(shè)計為封閉式，末端設(shè)成135°彎鉤，保證彎鉤末端平直段長度≥10倍箍筋直徑，若箍筋直徑較小，則末端平直段長度≥75mm。在設(shè)置箍筋加密區(qū)的箍筋肢距時，要求一級≤200mm，二級≤250mm，三級≤20倍箍筋直徑，四級≤300mm；每隔一根縱向鋼筋宜在兩個方向有箍筋約束，引入拉筋組合箍，緊靠縱向鋼筋布置拉筋，勾住封閉箍。針對柱非加密區(qū)的箍筋，要求體積配箍率≥1/2加密區(qū)，設(shè)計箍筋間距時，要求≤2倍加密區(qū)箍筋間距，一級、二級≤10倍縱向鋼筋直徑，三、四級≤15倍縱向鋼筋直徑。

（2）消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以此來完善隔震體系，嚴控地震對建筑本身的破壞性。在相關(guān)試驗數(shù)據(jù)中顯示，有效的隔震裝置能降低60%的結(jié)構(gòu)水平地震加速度的反應(yīng)，可利用以下效能減震裝置。液體減振器：液體減振器主要用于消除建筑物結(jié)構(gòu)在自然災(zāi)害或人工振動下的共振效應(yīng)，常用于大型建筑物和重要的設(shè)施建筑；斷裂隔震裝置：斷裂隔震裝置是將建筑物地基與上部結(jié)構(gòu)分離，在地震運動過程中將地震動分離到建筑物上部結(jié)構(gòu)上，減輕地震對建筑物的影響；彈性支座：彈性支座是將建筑物與地基連接，減少地震對建筑物的影響，它主要用于中小型建筑物。

（3）框架柱的縱向鋼筋配置優(yōu)化，在進行抗震設(shè)計時，可引入對稱配筋方法，其中截面尺寸＞400mm的柱，控制縱向鋼筋間距≤200mm；在全部縱向鋼筋的配筋率設(shè)定時，要求≤5%；一級且剪跨比不大于2的柱，單側(cè)縱向受拉鋼筋的配筋率＜1.2%；墻體角柱、邊柱設(shè)計時，要求綜合考慮因地震而產(chǎn)生的牽拉作用，發(fā)揮各部分合力，調(diào)整柱內(nèi)縱筋總截面面積應(yīng)比計算值增加25%，提升抗震效果。

5結(jié)論

綜上，文章就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及策略展開了具體化分析，并提出抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略在實際落實中的優(yōu)勢與不足。應(yīng)從建筑工程的實際需求出發(fā)，進行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方案調(diào)整，使其更加適用于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，提升業(yè)主滿意度。要做好該項工作，需給予足夠重視，綜合多方意見，重視新理念、新材料、新技術(shù)的引入，不斷提升抗震設(shè)計能力。

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