論述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

曾鐵軍

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市人口密度也在不斷的增加，人和財(cái)富都集中在一個(gè)區(qū)域，如果發(fā)生地震災(zāi)害，造成的損失巨大。為了能更好的維持現(xiàn)有的和諧穩(wěn)定的居住環(huán)境，如何做好地震災(zāi)害的防范成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。地震是一種自然災(zāi)害，現(xiàn)階段的預(yù)測(cè)結(jié)果還不是很準(zhǔn)確。為此，人們對(duì)于居住房屋的防震性能的要求不斷提高，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的同時(shí)融入抗震設(shè)計(jì)，才能更好的提高房屋的抗震性能，確保建筑的穩(wěn)固使用。

1 地震的危害及抗震概述

1.1 地震的危害

地震災(zāi)害是一種破壞性較大的自然災(zāi)害之一，威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，會(huì)使建筑物發(fā)生劇烈震動(dòng)，極大的破壞了建筑結(jié)構(gòu)，甚至?xí)菇ㄖ锏顾?。近些年發(fā)生的較為嚴(yán)重的地震災(zāi)害有：唐山大地震、汶川地震等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在20世紀(jì)，就有約50萬(wàn)人死于地震災(zāi)害，在同期全世界因地震災(zāi)害死亡人數(shù)的50%。面對(duì)這些沉痛的歷史教訓(xùn)，在災(zāi)難事前規(guī)避損失，是全體人民的心聲。

1.2 抗震設(shè)計(jì)的理論

抗震設(shè)計(jì)理論按照時(shí)間的發(fā)展可以分為以下三方面：①擬靜力理論，其是20世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的，其在進(jìn)行地震估計(jì)時(shí)，假定結(jié)構(gòu)為剛性，在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心上作用地震力，結(jié)構(gòu)的重量乘以地震系數(shù)（一個(gè)比例常數(shù)）為地震力的大小。②反應(yīng)譜理論，其是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的，隨著對(duì)地震規(guī)律了解的增多，一些學(xué)者通過(guò)研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)，在其基礎(chǔ)上分析震動(dòng)加速度記錄。③動(dòng)力理論，其是20世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的，隨著試驗(yàn)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在地震的研究中引入以上技術(shù)，可以深入到地震結(jié)構(gòu)的內(nèi)部研究，了解地震后地殼的受損結(jié)構(gòu)，將建筑物比作多自由度體系，從而完成抗震設(shè)計(jì)工作。

1.3 抗震設(shè)計(jì)的要求

抗震設(shè)計(jì)遵循的要求是：①選擇“尋?！眻?chǎng)地，保證場(chǎng)地的平坦性，不能設(shè)置在山丘、滑坡和軟土上，場(chǎng)地立面應(yīng)勻稱、規(guī)則。②為了最大程度上確保建筑的穩(wěn)固性，利用樓層、相關(guān)構(gòu)建的延展性設(shè)置多個(gè)防線。③在設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分考慮周邊環(huán)境對(duì)建筑抗震結(jié)構(gòu)的影響。

2 建筑抗震設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

2.1 建筑位置不合理

隨著城市的發(fā)展，農(nóng)村人口陸續(xù)涌入城市，城市用地不斷擴(kuò)張的同時(shí)，可用土地面積不斷減少。開(kāi)發(fā)商在選擇建筑位置的時(shí)候，更多的是考慮所見(jiàn)建筑物的商業(yè)價(jià)值。尤其是對(duì)于高層建筑的選擇，應(yīng)該選擇具有平坦性和開(kāi)闊性的位置，而且應(yīng)避開(kāi)軟弱土層，土體應(yīng)堅(jiān)實(shí)，應(yīng)避開(kāi)容易發(fā)生滑坡、泥石流、地陷等山體自然災(zāi)害區(qū)段，或者地震活躍段以及變電站、火電廠等危險(xiǎn)場(chǎng)所。

2.2 部分建筑物高度超限

針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物，我國(guó)有明確的高度限制，但是部分開(kāi)發(fā)商為了追求利潤(rùn)，并沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行這一規(guī)定，超高建筑仍然存在。一旦發(fā)生地震，這些不符合規(guī)定的建筑就會(huì)缺乏抵抗力，強(qiáng)烈地震后會(huì)產(chǎn)生變形，大大削減其抗震能力，在之后的使用過(guò)程中，剛度等力學(xué)特征會(huì)發(fā)生變化，需要通過(guò)重新檢測(cè)，確定其力學(xué)特征值。

2.3 選材不科學(xué)

對(duì)于地震頻發(fā)區(qū)的建筑，其選材應(yīng)需要合理搭配，當(dāng)前，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)普遍為鋼筋混凝土核心筒，此類結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形或側(cè)移時(shí)，所產(chǎn)生的作用力超過(guò)了鋼框架的承受能力，在增加建筑鋼結(jié)構(gòu)荷載負(fù)擔(dān)的同時(shí)，也會(huì)使得建筑物的抗震性能減弱。

3 抗震設(shè)計(jì)方法

3.1 合理選擇的建筑結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)前建筑的主要結(jié)構(gòu)形式有框架剪刀墻結(jié)構(gòu)、整體承載式鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及框架結(jié)構(gòu)，以上結(jié)構(gòu)都具備抗震性能，建筑物具體的抗震效果要與其結(jié)構(gòu)形式和高度決定?？蚣芙Y(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)共同使用，可以提高建筑的抗震性，原因是磚混結(jié)構(gòu)是由容易破碎的建筑材料砌成，抗震性能較差，而框架結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)、框架剪刀墻和承載式輕鋼結(jié)構(gòu)，抗震性能強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家65%左右的建筑物采用鋼結(jié)構(gòu)。首選鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，鋼結(jié)構(gòu)易于施工、生產(chǎn)，具有可重復(fù)利用和很好的環(huán)保性能，關(guān)鍵是具有很好的抗震防災(zāi)功能。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)具有很好的抗拉、抗剪、抗壓和延展性，使用壽命長(zhǎng)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，臺(tái)灣已經(jīng)明令要求多層住宅建筑要使用鋼結(jié)構(gòu)建筑，北京地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)建筑模式也成為建筑潮流，國(guó)家大劇院工程就是使用的全鋼結(jié)構(gòu)建筑模式，圖1為建筑鋼結(jié)構(gòu)模式。

圖1 建筑鋼結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 合理選擇建筑場(chǎng)地與環(huán)境與設(shè)計(jì)建筑物的抗震等級(jí)

建筑物的抗震性會(huì)受到建筑的地形和地理位置的影響，在建筑地理位置的選擇上，應(yīng)避免一些抗震不利的地形，河岸滑坡、斷層錯(cuò)動(dòng)、地層陷落的地形堅(jiān)決不能選。因此，在建筑選址前，首先要對(duì)所在地的地形、地質(zhì)進(jìn)行勘查，進(jìn)行全面的掌握。

在確定選址后，根據(jù)地形與地質(zhì)條件，確定建筑物的抗震等級(jí)，建筑物的抗震等級(jí)受建筑物類型、建筑物抗震強(qiáng)度和所在場(chǎng)地的影響。一般情況下，可將抗震等級(jí)分為四類（甲、乙、丙、丁類），其中一般住宅與寫字樓分為丙類，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用相應(yīng)的計(jì)算系數(shù)進(jìn)行計(jì)算可得，同時(shí)還要相關(guān)部門進(jìn)行審核批準(zhǔn)和備案的。

3.3 設(shè)置多道抗震防線，注重各種防震措施的使用

在建筑抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)多設(shè)置幾道抗震防線，在強(qiáng)震當(dāng)中，第一道抗震防線破壞后，還有第二道、第三道、第四道抗震防線，繼續(xù)抵擋發(fā)生的地震沖擊力，最大程度保證建筑物的安全性和穩(wěn)定性，避免建筑物發(fā)生坍塌。純框架結(jié)構(gòu)應(yīng)首選“強(qiáng)柱弱梁”型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)兩道防線，一道是梁，第二道是柱。

為提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計(jì)人員可采用基礎(chǔ)性防震措施，在不同的位置采用不同的防震措施。基礎(chǔ)隔震技術(shù)設(shè)計(jì)在建筑上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)位置接觸處，避免建筑上部受過(guò)大的地震能，常見(jiàn)的基礎(chǔ)抗震裝置有基底滑移隔震、夾層橡膠隔震混合隔震裝置等，該技術(shù)可再次削減地震所產(chǎn)生的震力，吸收地震產(chǎn)生的沖擊余力，避免建筑結(jié)構(gòu)受到較大的破壞。

3.4 確定抗震結(jié)構(gòu)體系

一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否合理，決定了建筑的安全性與經(jīng)濟(jì)性，建筑結(jié)構(gòu)體系中明確了合理的地震作用傳遞途徑，設(shè)置多道抗震防線，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性。建筑結(jié)構(gòu)體系具有必要的承重能力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)體系選擇時(shí)，應(yīng)首先考慮建筑物的場(chǎng)地條件以及建筑物所應(yīng)達(dá)到的剛度要求，為了避免地震時(shí)產(chǎn)生共振，還要保持場(chǎng)地的自振周期和建筑物的一致；其次要選擇合理的建筑基礎(chǔ)，建筑基礎(chǔ)深度應(yīng)足夠，建筑層數(shù)較多的住宅需設(shè)置地下室，軟弱地基選擇箱形基礎(chǔ)或筏片基礎(chǔ)。

3.5 做好建筑的空間設(shè)計(jì)

建筑的空間設(shè)計(jì)與布置就是指建筑的立體空間和結(jié)構(gòu)平面的設(shè)計(jì)，空間布置設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性，可以使建筑工程結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在地震出現(xiàn)后，由于地面運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力，所以在進(jìn)行建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為確保建筑可承受多方面的作用力，建筑的平面主軸方向應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，確保建筑結(jié)構(gòu)可以抵抗地震災(zāi)害帶來(lái)的沖擊力。在建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡量的簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)，原因是隨著建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度的攀升，需要使用更多的維持力量，容易降低建筑物的穩(wěn)定性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，只有簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)，才能避免建筑穩(wěn)定性受影響。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重結(jié)構(gòu)的整體性，設(shè)計(jì)人員需從建筑工程結(jié)構(gòu)整體抗震角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，另外還要注重從建筑樓蓋結(jié)構(gòu)、底層結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合的展開(kāi)設(shè)計(jì)，在處理建筑結(jié)構(gòu)連接時(shí)，要使傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)更具合理性和有效性，避免單一結(jié)構(gòu)抵抗性力弱的缺點(diǎn)，保證整體建筑結(jié)構(gòu)可以抵抗地震災(zāi)害所帶來(lái)的沖擊力。

3.6 科學(xué)配置建筑構(gòu)件，保證建筑構(gòu)件以及連接點(diǎn)處質(zhì)量

隔震構(gòu)件具有較大的垂直支承能力，在大變形時(shí)也能夠確實(shí)支承建筑物的質(zhì)量，采用直徑小的疊層橡膠時(shí)，應(yīng)可以支撐建筑物的質(zhì)量，一般疊層橡膠最大變形發(fā)生時(shí)重疊部分不得小于直徑的一半尺寸。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，除了要科學(xué)配置建筑構(gòu)件，還應(yīng)確保各個(gè)構(gòu)建之間連接點(diǎn)處的質(zhì)量要求，確保連接牢固，避免由于連接松動(dòng)而影響到建筑使用壽命。當(dāng)前建筑的外墻會(huì)使用裝飾材料，例如瓷磚、大理石，雖然表面看起來(lái)，這些裝飾材料是與外墻相連，其是否能和建筑主體結(jié)構(gòu)牢固連接對(duì)建筑的抗震性能也有影響。近些年在地震事故中的玻璃雨現(xiàn)象，就是在地震作用下玻璃幕墻出現(xiàn)變形導(dǎo)致玻璃破碎而發(fā)生的。因此，一定要確保建筑中各構(gòu)件及連接處質(zhì)量，防止在地震中玻璃幕墻變形與脫落。另外在對(duì)內(nèi)隔墻、玻璃隔斷等構(gòu)件展開(kāi)設(shè)計(jì)時(shí)，也要確保連接點(diǎn)的質(zhì)量，使其牢固連接，保障建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地震嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)十分必要。隨著研究得不斷深入，抗震理論的總結(jié)不斷全面。在經(jīng)歷了一次次的地震災(zāi)害后，研究人員通過(guò)分析地震數(shù)據(jù)，不斷加強(qiáng)對(duì)地震設(shè)計(jì)的總結(jié)，成立專門的研究協(xié)會(huì)，旨在研究出更為安全的抗震設(shè)計(jì)。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師根據(jù)建筑的實(shí)際情況，采用合理的設(shè)計(jì)方法，可以有效的提高建筑的抗震性能，保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

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