淺談建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

周廷軍

摘 要：近些年來，我國的建筑總面積一直在快速增長，與此同時，建筑水平也得到了很大程度的提升，建筑的風(fēng)格與功能不再像以前那么單一。但是，在地震發(fā)生時，還是不能確保建筑的安全性，尤其是在地震等級較大時，很有可能因為建筑的坍塌，導(dǎo)致很多人失去生命。在這種情況下，就必須考慮如何做好建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡可能地減少因地震的發(fā)生而導(dǎo)致的人員傷亡和財產(chǎn)損失。本文主要針對建筑在地震發(fā)生時可能出現(xiàn)的幾個問題，以及在抗震設(shè)計方面現(xiàn)有的一些抗震方式進行分析和介紹。

關(guān)鍵詞：建筑；地震；抗震設(shè)計

中圖分類號：TU352 文獻標(biāo)志碼：A

0 前言

眾所周知，地震是一種比較隨機的振動現(xiàn)象，具有復(fù)雜性、不確定性等諸多不便于人們操控的特征。截至目前為止，還沒有找到一種可以預(yù)測建筑物在地震發(fā)生時受到的影響參數(shù)。在結(jié)構(gòu)分析方面，由于不能充分地考慮結(jié)構(gòu)的空間特征、材料的性能、建筑所能承受的振動頻率等因素，所以在針對建筑的抗震性進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了從“計算設(shè)計”的角度出發(fā)以外，還要考慮“概念設(shè)計”對于問題解決的幫助。概念設(shè)計是指從結(jié)構(gòu)的整體性出發(fā)，用結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，尋找關(guān)于建筑抗震性能的設(shè)計方法，其目標(biāo)就在于使得建筑的整個結(jié)構(gòu)在抗擊地震中發(fā)揮最大的作用，減少地震對于建筑中薄弱地區(qū)的沖擊力，在最大程度上保護建筑的完整性。

在對建筑的抗震設(shè)計規(guī)范有了一定的了解之后，才發(fā)現(xiàn)抗震的概念設(shè)計對于建筑的抗震性有著極大的影響。無論是舊的條文規(guī)定，還是新的抗震規(guī)范，都重點突出了建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計在抗震方面的重要影響。所以，要想設(shè)計出來的建筑能有很好的抗震性能，首要考慮的就是抗震概念設(shè)計的一般原則。

1 建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計原則

在建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，不能只憑借計算的結(jié)果而對整個建筑進行規(guī)劃，因為遇到結(jié)構(gòu)不規(guī)整的建筑時，僅僅依靠現(xiàn)有的計算水平，設(shè)計出來的建筑不僅難以達到抗風(fēng)的要求，在抗震方面更是作用微弱。所以，除了對計算方面有著嚴格的規(guī)定外，國家對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的其他方面也有相關(guān)規(guī)定。下面就針對經(jīng)常使用的一些原則與規(guī)定進行簡要的分析介紹。

1.1 結(jié)構(gòu)簡單性

在我國的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中有著明確規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時，要具備直接、明確的傳力途徑，在設(shè)計過程中，計算簡圖要盡量做到簡單易懂。只有具備簡單的結(jié)構(gòu)，才能在對整個建筑進行計算分析的時候，做到精確把握、準確計算，在建筑的薄弱部分進行加固處理，最終做到抵抗地震的沖擊。

1.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性與均勻性

抗震設(shè)計規(guī)范上有規(guī)定，建筑在設(shè)計上要做到規(guī)則、對稱與良好的整體性，如果設(shè)計的不規(guī)則，建筑本身就容易發(fā)生偏心，在外力作用下更難保持平衡。建筑在設(shè)計時，還要考慮到結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度應(yīng)該均勻變化，豎向的材料剛度從上到下越來越大，這樣可以減小因承載力的增大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的可能性。在建筑平面比較規(guī)則的時候，就要采用規(guī)則的平面布置，這樣可以減少地震慣性力傳播的時間，并且質(zhì)量分布均勻的建筑，可以減少偏心出現(xiàn)的可能，有助于防止薄弱部分的破壞甚至坍塌。

1.3 結(jié)構(gòu)剛度與抗震

為了在地震發(fā)生時，抵抗雙向的沖擊作用，建筑不僅要有抵抗來自兩個主軸方向的剛度，在設(shè)計過程中必須還要考慮。建筑是否能夠經(jīng)受住來自任意方向的壓力。在選擇結(jié)構(gòu)的剛度時，既要減少地震對于結(jié)構(gòu)的沖擊作用，還要控制結(jié)構(gòu)的變形，因為在變形較大的情況下，建筑就有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。除此之外，我們還要考慮地面運動產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)分量對于建筑的影響，提升建筑的抗扭轉(zhuǎn)能力，這種想法雖然已經(jīng)被提出，但是目前的建筑水平還沒有達到可以考慮抗扭轉(zhuǎn)性能的要求。所以說，應(yīng)該在抗震的概念設(shè)計中多一些抵抗扭轉(zhuǎn)的設(shè)計方案。

1.4 結(jié)構(gòu)整體性

在任意建筑中，樓蓋都具有不可替代的作用，它就相當(dāng)于一個水平隔板，可以傳遞慣性力到各個豎直的結(jié)構(gòu)中，從而將各個結(jié)構(gòu)連接成一個整體，在地震發(fā)生時，可以協(xié)調(diào)這些豎直結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)地震的沖擊作用。當(dāng)樓蓋不存在或者出現(xiàn)較大的漏洞時，在設(shè)計中往往忽略了這些因素的影響，計算結(jié)果顯示建筑不會受到地震的影響，就忽略樓蓋對于整個建筑體系的作用效果。

2 建筑結(jié)構(gòu)遇到的問題及解決方案

現(xiàn)如今，我國的建筑在設(shè)計過程中經(jīng)常使用等效斜撐的辦法來增加建筑的抗震效果，隨著地震的發(fā)生與技術(shù)的逐漸應(yīng)用，我們很容易發(fā)現(xiàn)，這種抗震方式雖然取得了一定的成績，但是由于它的精確度非常低，導(dǎo)致在計算過程中經(jīng)常會出現(xiàn)很多難以預(yù)料的錯誤，在實際施工中很難做到準確把握。為此，相關(guān)的研究人員提出了在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)分析，但是實驗證明，有限元軟件分析的方式太過復(fù)雜，在模型建立的過程中不能把建筑的每個部分再現(xiàn)出來。所以，我們在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)該做到對于結(jié)構(gòu)的整體抗震性能有一個很好的把握。

2.1 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計

目前，在建筑中使用鋼筋混凝土?xí)r，需要通過對鋼筋混凝土構(gòu)件的截面尺寸和最小配筋率來提高抗震性能。而以磚混結(jié)構(gòu)為主的建筑，就需要對建筑的整體高度及每層的高度進行限制，甚至有些建筑專門在橫縱墻里加入支撐柱，以此來增強抗震效果。

2.2 根據(jù)性能要求進行抗震設(shè)計

在建筑施工前，首先應(yīng)該對當(dāng)?shù)乜赡馨l(fā)生的地震強度進行了解，然后再根據(jù)地震強度設(shè)計建筑的抗震性能。值得注意的是，建筑的內(nèi)部構(gòu)成對于整體的抗震效果也有非常大的影響，所以，設(shè)計時應(yīng)該考慮每一個部位的抗震能力，這樣在抵抗地震時，就會減少薄弱部分的存在。

2.3 根據(jù)建筑場地進行抗震設(shè)計

最后一點，也是最重要的一點，就是建筑場地的選擇對于建筑抗震能力的影響。建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的情況下，才能有一個很好的抗震能力，如果建筑場地本身穩(wěn)定性能差，而我們必須要在這塊土地上建設(shè)樓房時，可以在建設(shè)樓房時設(shè)置一個抗震層，這樣就可以在一定程度上達到抗震的目的。除此之外，還要考慮建筑物周圍的環(huán)境因素對于建筑的影響，設(shè)計的時候，要對建筑上部分的結(jié)構(gòu)進行適應(yīng)的調(diào)整，以滿足周圍環(huán)境對建筑的要求。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般辦法

3.1 增添基礎(chǔ)性抗震措施

為了能夠增強建筑的抗震效果，研究人員在原有抗震辦法的基礎(chǔ)上，又探究出了很多科學(xué)、合理的抗震方法，比如地基隔震、基礎(chǔ)隔震、間層隔震、懸掛隔震等。地基隔震就是在建筑的地基與土層之間設(shè)置一個緩沖層，在地震發(fā)生時，緩沖層就可以吸收一部分震動力，減小震動對于建筑的沖擊?，F(xiàn)如今，常用的地基隔震層是由瀝青材料做成的；基礎(chǔ)隔震是在建筑的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)位置的接觸點上建立一個隔震層，這在抗震設(shè)計上是非常重要的，可以減少地震對建筑上部結(jié)構(gòu)的傷害，保護居民的人身安全；間層隔震一般安裝在原始的結(jié)構(gòu)層上，具有操作簡便、抗震性能強等諸多優(yōu)點，當(dāng)大的地震發(fā)生時，可以吸收地震沖擊后剩余的力量，起到削減沖擊力的效果，最終達到保護建筑的目的；懸掛隔震，就是利用懸掛的方式，把建筑物與地面隔離開，在地震發(fā)生的時候，就可以把對地面的震動與對建筑的沖擊力分離開，不過這種方法不能運用到鋼筋混凝土的建筑中，只能在鋼結(jié)構(gòu)的建筑中采用。

3.2 采用機敏減震支撐體系

機敏減震支撐體系是一種新型的防震技術(shù)，主要運用的是活塞的運動原理，對建筑的整體結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，作用在建筑上的力可以使彈簧壓縮，從而削減一部分沖擊力，降低地震對建筑的損耗。雖然，現(xiàn)有的技術(shù)水平還存在很大的有漏洞，不過相信在未來的幾年里，這項技術(shù)一定可以得到完善，并運用到更多的領(lǐng)域中。

3.3 應(yīng)用效能減震技術(shù)

目前我國效能減耗技術(shù)在建筑上的應(yīng)用主要依靠消能器和阻尼器，這兩種器械都可以實現(xiàn)對地震能量的消耗吸收，減小地震對于建筑的破壞程度，以此來保護建筑的結(jié)構(gòu)安全和人們生命安全。

4 以高層混凝土建筑為例，分析抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

自改革開放之后，大量的務(wù)農(nóng)人民開始涌入城市，導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民逐步增多，在這種情況下，我國的建筑開始形成以高樓大廈為主的建筑風(fēng)格。而高層建筑就好像一個豎向的懸臂結(jié)構(gòu)，用力學(xué)知識分析可知，在垂直荷載的作用下，結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生與建筑的高度呈線性關(guān)系的軸向力，而水平荷載不產(chǎn)生力，只產(chǎn)生彎矩。如果來自垂直方向的荷載方向不發(fā)生變化，建筑高度的改變只引起軸向力大小的變化，在方向上不會有任何影響。而水平荷載不同，它的方向隨時都在發(fā)生著變化，這可以看做均布荷載時產(chǎn)生的彎矩與建筑的高度呈二次方的關(guān)系。由此可以知道，水平荷載對于高層建筑的影響，遠遠大于垂直荷載，在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，主要考慮建筑抵抗水平荷載產(chǎn)生的剪力、彎矩的效果。

4.1 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計之初，就要把建筑的使用功能、施工材料、場地要求等因素放到一起，進行綜合的考慮與分析。一般常用的高層建筑結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框架與剪力墻結(jié)合這3種。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是方便對室內(nèi)的空間進行布局調(diào)整，缺陷是，它不適用于高層建筑，只有在樓層不是很高時，水平荷載對于建筑的影響力才比較小，框架結(jié)構(gòu)的使用也較為合理?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，抗震效果不明顯，所以現(xiàn)在單獨使用框架結(jié)構(gòu)的工程越來越少。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)，布置的時候比較靈活，可以采用橫向、縱向或者多軸線相交等多種方式，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗性比較大，即使作用很大的水平力，也只發(fā)生微小的位移。不過與框架結(jié)構(gòu)相反，在室內(nèi)結(jié)構(gòu)確定之后，就很難再進行重新布置。結(jié)合框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是將兩者融為一體，就是在框架的薄弱部分添加剪力墻，這種結(jié)構(gòu)在繼承了兩者的優(yōu)點的同時也存在一些問題，因為框架與剪力墻的剛度有著很大的差異，在外力的作用下會產(chǎn)生大小不一的位移，所以在使用過程中，要注意兩者的變形協(xié)調(diào)。

4.2 高層建筑的結(jié)構(gòu)布置

在高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)建時，應(yīng)該注意以簡單、規(guī)則為主，整個結(jié)構(gòu)必須要有足夠的承載能力與變形能力。雖然建筑中的每個部分相互依存，共同支撐著整個建筑結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)其中的某個部位發(fā)生破壞時，不能影響到整個建筑的承載能力。這就需要工作人員在進行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，就對建筑中的薄弱部分進行加固處理，并且根據(jù)豎向和橫向結(jié)構(gòu)承載能力的不同，進行合理的布局。

4.3 提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能

高層建筑在受力特征上與低層建筑有著很大的不同。在對高層建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，不僅要考慮強度與剛度是否滿足要求，還要考察建筑的抗震能力。這個考察過程非常復(fù)雜，簡單的人力計算根本無法完成這種高強度的工作，這時就需要使用正確的結(jié)構(gòu)電算軟件，而且對工程師的要求也很高，他們必要對整個結(jié)構(gòu)的概念、模型、計算步驟有著深入的了解。在遇到結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況時，要建立兩個以上的力學(xué)模型，計算結(jié)構(gòu)出來之后，還要進行比較處理，只有在各個方面都符合相關(guān)條例規(guī)定的時候，結(jié)構(gòu)的計算過程才算結(jié)束。

通過合理的抗震設(shè)計，要保證建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒，這就要框架與剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻高寬比不能小于2，這樣才能在地震發(fā)生時，使得建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎剪破壞，并且塑性屈服是在建筑的底部。還有一點，為了保證建筑中鋼筋的承載力，需要按照強柱弱梁的設(shè)計原則進行設(shè)計，在選擇鋼筋、混凝土?xí)r，充分考慮建筑的需要。

結(jié)語

我國科技的發(fā)展水平，還遠遠不能達到預(yù)測將要發(fā)生地震的時間及地點的目的，再加上廣大人民群眾對于地震的知識把握不是很多，這就需要在進行建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮它的抗震性能是否能夠達到國家要求的標(biāo)準。本文通過介紹與分析建筑的設(shè)計原則、經(jīng)常遇到的一些問題及解決辦法，希望可以讓大家了解準確的抗震原則、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與受力情況，從而保證在地震發(fā)生時，能夠使建筑物整體結(jié)構(gòu)和每一部分都充分發(fā)揮它們的作用，保障人們的生命與財產(chǎn)安全。

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