建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計探討

魏麗芬

【摘 要】地震是一種不可預(yù)見的、危害極大的自然災(zāi)害，它能造成慘重人員傷亡和巨大的財產(chǎn)損失，而最主要的損失是由于建筑物的損壞引起，抗震就是針對這種災(zāi)害進行必要的防震措施，以降低災(zāi)害損失率，減少人員傷亡及財產(chǎn)損失，但是由于地震的不可預(yù)見性及建筑物的系統(tǒng)復(fù)雜性，因此抗震也是房屋建筑乃至一切土木工程最為困難的課題。針對地震災(zāi)害及衍生災(zāi)難性影響，進行建筑抗震設(shè)計的宏觀控制措施，稱為建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計。本文根據(jù)地震對建筑物破壞程度的理論分析，通過對抗震設(shè)計原則的闡述，論述了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震概念設(shè)計的內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；抗震；概念設(shè)計

一、地震對建筑的破壞作用

地震是一種地殼中的板塊發(fā)生了頂撞、錯動和斷裂而產(chǎn)生震動的自然現(xiàn)象。我們不能夠準確的預(yù)報在何時或是何地會發(fā)生多大級別的地震，更加不能阻止地震的到來，但是我們能夠粗略地把地震破壞的作用分成三類：①地層被錯位，地面有了開裂；②地基的液化，出現(xiàn)地陷或是滑坡；③地面發(fā)生振動。因為地震作用具有隨機性與復(fù)雜性，建筑物被地震破壞的機理十分復(fù)雜，存在許多不確定的以及模糊的因素。

但根據(jù)地震的破壞作用和民用建筑的常用結(jié)構(gòu)形式可以把建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞分為四種情況：①在地震的時侯，水平與豎向的振動作用之下，建筑物內(nèi)力與變形驟增，甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力的形式發(fā)生改變，導(dǎo)致建筑物的承載力不夠甚至?xí)适Щ蚴亲冃芜^大。②在地震的作用下，因為節(jié)點的強度不足、錨固失效、延性不夠，這會使結(jié)構(gòu)的構(gòu)件缺乏安全可靠的連接，使建筑物喪失了整體性而被破壞。③在地震作用下，因為地基的承載力的下降或是地基土的液化，使地基的一部分已經(jīng)失效甚至是完全失效，最終會導(dǎo)致建筑物整體傾斜或倒塌。④因為地震而引發(fā)次生災(zāi)害例如火山、滑坡、洪水、泥石流等會造成建筑物被嚴重破壞。

二、結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的原則

（一）優(yōu)化選型原則

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計歸根到底是確定主體結(jié)構(gòu)體系及其聯(lián)系。它要考慮兩個方面，用比較方法進行優(yōu)化選擇：（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系。前提是掌握各類基本構(gòu)件的特征（如與受力相關(guān)的幾何特征，與變形相關(guān)的剛性特征等），根據(jù)環(huán)境、使用、建筑和荷載實況優(yōu)化選擇合用的基本構(gòu)件，確定它們間的聯(lián)系，形成基本結(jié)構(gòu)單元和它的支承做法（如框架結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)等）；再將基本結(jié)構(gòu)單元通過線型、平面、疊合、交叉等集合形式構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)體系。（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。在滿足使用要求和建筑意向前提下優(yōu)化布置樓屋蓋水平系統(tǒng)、柱墻豎向支承系統(tǒng)和基礎(chǔ)系統(tǒng)。這時除比較各種布置的承載能力、豎向和側(cè)向變形，支承做法、地質(zhì)條件等結(jié)構(gòu)問題的合理性、優(yōu)越性外，重要的原則是平立面宜規(guī)則、對稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規(guī)整外，側(cè)向剛度宜均勻變化，自下而上逐漸減小，避免突變。

（二）空間作用原則

建筑物本來是一個空間結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時，考慮建筑物內(nèi)各部分結(jié)構(gòu)的空間作用，實際上是還原到它本來的結(jié)構(gòu)面貌。當(dāng)然，如果這時更能有意識地利用構(gòu)成構(gòu)件間的空間關(guān)系，往往還會給所設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)帶來更大剛度、減小內(nèi)力、受力效能好等方面的優(yōu)點。

（三）合理受力原則

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時，要經(jīng)常運用力學(xué)原理來處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一般受力分析問題。以下幾個方面往往應(yīng)給予注意：（1）從受力和變形看，均勻受力比集中受力好，多跨連續(xù)比單跨簡支好，空間作用比平面作用好，剛性連接比鉸接好，超靜定的受力體系比靜定的受力體系好，另外，傳力簡捷比傳力曲折好，要避免不明確的受力狀態(tài)。（2）從受力和變形的分析看，要盡可能利用結(jié)構(gòu)的對稱性、剛度的相對性、變形的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性；既要分析各部分構(gòu)件的直接受力狀態(tài)，也要分析整體結(jié)構(gòu)的宏觀受力狀態(tài)；要抓住主要的受力狀況和它所發(fā)生的變形，忽略次要的受力狀況和它的相應(yīng)變形。

（四）減輕自重原則

結(jié)構(gòu)所承受的荷載有兩種，豎向荷載和水平荷載。豎向荷載的85%以上是建筑物自重，水平荷載中的地震作用與建筑物自重直接相關(guān)。減輕自重不僅可以減輕結(jié)構(gòu)承受的荷載，而且可以降低建筑造價、加快建造速度、節(jié)約建筑材料、減少材料在生產(chǎn)運輸方面的工作量。減輕自重可采取如下措施：a、采用輕質(zhì)高強材料，如輕集料混凝土、高性能混凝土、高強度鋼材、多孔或空心砌塊等。b、采取高效能的結(jié)構(gòu)型式，如采用予應(yīng)力構(gòu)件，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點采用組合構(gòu)件或組合結(jié)構(gòu)，采用薄殼、箱形結(jié)構(gòu)等優(yōu)越的結(jié)構(gòu)型式。c、選擇優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系，如采用筒體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、空間桁架等空間結(jié)構(gòu)體系。d、選擇合理的結(jié)構(gòu)，如盡可能減少外墻面積、加大開間尺寸和柱網(wǎng)距離、降低不必要的樓層高度等。

三、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

如何采取較低成本來有效地提高建筑物的抗震性能是重要課題。但抗震設(shè)計理念需要建筑物本身就具有一定的結(jié)構(gòu)特性，這就需要在建筑物抗震設(shè)計前期就要考慮從概念設(shè)計的角度出發(fā)來對建筑物進行合理的設(shè)計，如確定出合理的建筑體系以及結(jié)構(gòu)布置等等。隨著概念設(shè)計的應(yīng)用推廣，越來越多的設(shè)計者接受了這一設(shè)計方式，并逐漸成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主導(dǎo)思想。

（一）我國對于建筑物的抗震設(shè)計，要求采取抗震設(shè)防標準是“三水準設(shè)防、兩階段設(shè)計”

在這種抗震設(shè)計思想下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了剛性設(shè)計、柔性設(shè)計、延性設(shè)計和結(jié)構(gòu)控制設(shè)計四階段。但是由于地震的隨機性、復(fù)雜性、間接性和偶然性，在結(jié)構(gòu)自振周期、材料性能、阻尼變化和基礎(chǔ)差異沉降等因素的影響下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出極大的復(fù)雜性、計算假定與實際情況的不符的特點，甚至一些在定性分析上反應(yīng)出來的結(jié)論完全相反，使計算結(jié)果差距很大。因此，要提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，建筑物設(shè)計時首先要考慮到良好的概念設(shè)計。

（二）確保建筑結(jié)構(gòu)體系的共同工作

對建筑采取抗震設(shè)計時應(yīng)充分利用建筑結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作，從而設(shè)計建筑物中的各個構(gòu)件都處于相互協(xié)作以及共同工作的狀態(tài)。也就是需要建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載力極限的條件下不僅可以保持共同工作，同時也需要它們具有共同的耐久性。此外建筑結(jié)構(gòu)的上部及其基礎(chǔ)，當(dāng)受到載荷時應(yīng)保持著一個統(tǒng)一整體，共同承擔(dān)載荷。在砌體結(jié)構(gòu)的建筑中避免建筑結(jié)構(gòu)單純的依靠建筑結(jié)構(gòu)自身剛度來承受載荷。

（三）充分提高建筑物材料利用率的協(xié)同工作

從建筑物抗震設(shè)計經(jīng)驗表明，材料的利用率越高，結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作能力也就越高。例如，因為梁的長度變化會引發(fā)梁彎矩的變化，同時梁的中和軸附近的材料利用率低致使實際使用中矩形截面受壓構(gòu)件利用率極低。分析此種情況，通過采取建筑概念設(shè)計理念來進行結(jié)構(gòu)分析，調(diào)整梁截面的應(yīng)變梯度，使構(gòu)件保持軸心受力，以有效地提升材料的利用率，以達到提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

四、結(jié)語

總之，在建筑結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計中，設(shè)計人員必須根據(jù)建筑的實際情況，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境，在經(jīng)濟與安全的綜合考量下，設(shè)計出科學(xué)合理的防震方案，保證建筑物在相應(yīng)的防震標準下進行施工，保證建筑的安全。

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