探究建筑結(jié)構(gòu)體系中的抗震設(shè)計(jì)

李雄鷹

(福建省九龍建筑設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門(mén) 361006)

0 前 言

我國(guó)是一個(gè)地震頻繁的國(guó)家。在近代，罕遇地震給國(guó)家和廣大人民群眾造成了巨大的傷害。因此，在工程建設(shè)中從決策到技術(shù)層面“抗震安全”越來(lái)越受到關(guān)注。雖然目前的建造工藝突飛猛進(jìn)，但對(duì)地震的研究水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還不能預(yù)測(cè)地震。雖然目前我國(guó)的地震烈度區(qū)劃圖在我國(guó)已經(jīng)做得非常精準(zhǔn)并且非常的科學(xué)，但它是基于有限的歷史數(shù)據(jù)。在我國(guó)，大型地震或特大型地震有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在低烈度地區(qū)。同時(shí)，地震發(fā)生時(shí)，地震動(dòng)的三要素存在較大不確定性，即使在同一地區(qū)，不同類型的地面運(yùn)動(dòng)在地震過(guò)程中對(duì)建筑物的破壞也不盡相同；地震還存在震級(jí)、傳播路徑、震中距離和震源機(jī)制等許多非確定因素，給地震研究帶來(lái)了很多困難。

1 抗震設(shè)計(jì)的意義

地震活動(dòng)是一種很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的自然災(zāi)難，以現(xiàn)在的技術(shù)手段不可能準(zhǔn)確地對(duì)地震活動(dòng)做出預(yù)測(cè)。但是依據(jù)現(xiàn)實(shí)條件，提前采取防護(hù)手段也是一種非常好的預(yù)防手段。對(duì)于非選擇性、危險(xiǎn)性大的地震活動(dòng)，如何用科學(xué)的理念和技術(shù)來(lái)預(yù)防地震的損害、來(lái)減少地震造成的各種損失。現(xiàn)在，世界上絕大部分的國(guó)家都有各自的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。小型地震不會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成損害，中型地震可以做到對(duì)建筑物進(jìn)行加固建筑物仍然可以使用，在大型地震建筑物不會(huì)倒塌保證人員的安全。這一抗震設(shè)計(jì)原則得到了廣泛的認(rèn)可和推廣，極大地提高了建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。受到地震災(zāi)害影響過(guò)程中，如果建筑物的使用功能和所采用的結(jié)構(gòu)布置不協(xié)調(diào)，那么結(jié)構(gòu)體系的抗震性能難以得到有效利用。當(dāng)出現(xiàn)破壞時(shí)，新建的建筑費(fèi)用要比維修舊建筑的費(fèi)用高。從經(jīng)濟(jì)成本來(lái)講，是非常不合算的，所造成的經(jīng)濟(jì)損失是無(wú)法估計(jì)的，這是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

2 抗震設(shè)計(jì)原則

抗震設(shè)計(jì)主要基于“抗震設(shè)防烈度”。然而，劃分的烈度區(qū)別是宏觀的，這一劃分主要根據(jù)對(duì)地面的破壞和對(duì)無(wú)抗震設(shè)計(jì)房屋的破壞?，F(xiàn)代地震記錄顯示，對(duì)于烈度相當(dāng)?shù)牡卣?，它們的地震加速度峰值和頻譜分布并不一致，其中最小值差不多是最大值的50%。雖然地震加速度的峰值十分相似，但距震中的距離相差較大，則震源機(jī)制不同，地震波傳播路徑也會(huì)不盡相同，導(dǎo)致地震加速度的頻譜特征具有明顯差異?？拐鹪O(shè)計(jì)中的反應(yīng)譜曲線只是統(tǒng)計(jì)意義上的平均值。在這種情況下，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，“概念設(shè)計(jì)” 比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)就是以力學(xué)概念為依據(jù)，從有利于提高建筑結(jié)構(gòu)體系抗震性能的角度，用符合力學(xué)規(guī)律的方法，對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)體系布置。20世紀(jì)90年代起，就將抗震概念設(shè)計(jì)的理念應(yīng)用于實(shí)際工程中并取得很好的效果。

在分析發(fā)生地震概率的基礎(chǔ)上，考慮到目前國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技力量，抗震設(shè)計(jì)提出了三個(gè)設(shè)防的要求:當(dāng)烈度值低于該地區(qū)的設(shè)防烈度，對(duì)建筑物的目標(biāo)是正常使用，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，應(yīng)采用彈性反應(yīng)譜來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)?shù)卣鹚疁?zhǔn)處于該地區(qū)的基本設(shè)防烈度時(shí)，其目的是將結(jié)構(gòu)的非彈性變形或損傷控制在可加固修復(fù)的范圍；當(dāng)?shù)卣鹚疁?zhǔn)高于該地區(qū)的基本設(shè)防烈度時(shí)，要求是建筑物在地震過(guò)程中不會(huì)倒塌性破壞，以免對(duì)人員造成傷害。

抗震建筑的重要性，從防災(zāi)減災(zāi)的角度來(lái)講，建筑物一般會(huì)分為特別重要、重要、一般和次要四類，體現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)中差異化處理的原則，控制經(jīng)濟(jì)成本。震時(shí)指揮中心(政府機(jī)構(gòu))、學(xué)校和大型醫(yī)院顯然比普通建筑更加重要，而儲(chǔ)存普通物品的庫(kù)房則不如人員分布密集的公共建筑重要。這種分類與統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的安全等級(jí)并不完全一致：因?yàn)檫@種分類不對(duì)構(gòu)件進(jìn)行劃分；另一種是不采用重要系數(shù)進(jìn)行區(qū)分，而主要采用提高設(shè)防烈度一度來(lái)進(jìn)行考慮，因?yàn)橛?jì)算中重要系數(shù)的差異對(duì)于抗震設(shè)計(jì)可能太小。有利的、不利的和危險(xiǎn)的場(chǎng)地條件，如果選擇在I類場(chǎng)地條件下，丙類建筑物的構(gòu)造措施可以降低一度進(jìn)行設(shè)計(jì)；如果沒(méi)有避開(kāi)危險(xiǎn)地段，同時(shí)有效的抗震措施又太少，這將不可避免地導(dǎo)致大的災(zāi)難。因此，在工程地質(zhì)勘察中，應(yīng)探明危險(xiǎn)區(qū)和不利區(qū)的復(fù)雜地質(zhì)條件，從而采取經(jīng)濟(jì)有效的抗震措施。

3 抗震設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)體系中的具體應(yīng)用

3.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土墻作為主要承重構(gòu)件，能承受各種荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，有效地承受結(jié)構(gòu)的水平力，不產(chǎn)生較大的水平位移。剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高層建筑中，這種結(jié)構(gòu)體系的抗震性能相對(duì)較好?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是震區(qū)高層建筑的常用承載體系，因?yàn)橹饕杉袅Τ惺芩胶奢d，所以抗震性能比純框架結(jié)構(gòu)要好。在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置足夠數(shù)量的剪力墻，具有較大的水平荷載承受能力和可觀的抗側(cè)移剛度。同時(shí)形成比較大的空間，滿足建筑不同功能的要求。框架結(jié)構(gòu)是指梁與柱通過(guò)剛性或鉸接連接形成的建筑結(jié)構(gòu)體系，即梁與柱形成框架，共同承受使用中的水平載荷和垂直載荷?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的墻體不承重，只有隔離的功能，一般材料有加氣混凝土砌塊、空心或多孔磚、膨脹珍珠巖、蛭石、陶瓷墻板等。在地震破壞實(shí)例中，大部分框架結(jié)構(gòu)只有輕微受損，但仍有一些框架結(jié)構(gòu)建筑物嚴(yán)重受損甚至倒塌。對(duì)地震破壞的調(diào)查表明，大多數(shù)房屋倒塌性破壞的主要原因是柱端出現(xiàn)塑性鉸接、柱端剪切破壞和節(jié)點(diǎn)區(qū)域破壞。筒體結(jié)構(gòu)是由框架剪力墻結(jié)構(gòu)和純剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)的。一般分為筒中筒、成束筒、筒體-框架結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)是在建筑物內(nèi)部或周邊，集中布置剪力墻或密集框架柱，形成一個(gè)或多個(gè)空間相對(duì)封閉的筒體。它的特征是剪力墻集中分布，使建筑物擁有相對(duì)較大的空間，主要用于辦公建筑。在水平荷載作用下，水平力主要由一個(gè)或多個(gè)筒體承擔(dān)。筒體結(jié)構(gòu)擁有很大的抗側(cè)移剛度，有承受較大水平荷載的能力。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，承載能力高，結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要承重構(gòu)件由鋼板和型鋼構(gòu)成，材質(zhì)均勻，各向同性好，結(jié)構(gòu)可靠性高。鋼結(jié)構(gòu)的材料屬理想彈性體，符合工程力學(xué)的基本假定，可在抗震設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的材料塑性、彈性好的特點(diǎn)，允許有適度的變形，能很好地承受動(dòng)力荷載，在罕遇地震作用下保持結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定，避免倒塌。高精度的加工制作工藝可以做到等強(qiáng)連接，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)連接弱桿件的抗震設(shè)計(jì)原則，大大提高建筑物的抗震和承載能力。鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，特別是在大型公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施中。其中最重要的是機(jī)場(chǎng)車站、體育場(chǎng)館、高層建筑等。鋼殼體結(jié)構(gòu)近年也得到應(yīng)用，具有很好的空間傳力性能，能以較小的構(gòu)件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，能覆蓋或圍護(hù)大尺度的空間而不需要中間支撐，兼顧到承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的雙重作用，同時(shí)也有較好的抗震性能。

3.3 組合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

這里所提到的組合結(jié)構(gòu)主要指的是由型鋼、鋼筋混凝土組合澆筑成整體的結(jié)構(gòu)，也稱為鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)或勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以組合構(gòu)件作為主要承載結(jié)構(gòu)體系。其中主要構(gòu)件為由型鋼(或焊接鋼構(gòu)件)-鋼筋混凝土構(gòu)成的梁、柱、墻等組合構(gòu)件。型鋼-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)綜合了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并且各自克服了鋼材和混凝土在抗震體系中的缺點(diǎn)：混凝土結(jié)構(gòu)自重大、鋼材在受到水平荷載時(shí)容易發(fā)生屈曲。型鋼-鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)具有高的承載能力以及有效地減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。當(dāng)前在各種高聳的建筑物中，鋼混組合結(jié)構(gòu)都得到了廣泛的應(yīng)用，其中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用的最為廣泛，鋼管對(duì)混凝土的約束，使混凝土處于三向受壓的狀態(tài)，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此，這種組合結(jié)構(gòu)擁有非常高的強(qiáng)度，來(lái)抵抗地震作用。型鋼-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能以及延性，能滿足在不同條件下的抗震設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

地震災(zāi)害的發(fā)生是不可預(yù)期的，地震等級(jí)和發(fā)生的時(shí)間都不可能進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是以現(xiàn)在的技術(shù)完全可以在地震發(fā)生時(shí)對(duì)非震中區(qū)域做出相應(yīng)的預(yù)警，從發(fā)出預(yù)警到地震波傳播至設(shè)防地區(qū)前的這一過(guò)程中，建筑物的抗震性能就顯得格外的重要，它可以為廣大的人民群眾提供寶貴的逃生時(shí)間，因此，在民用建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須充分了解到抗震設(shè)計(jì)的意義所在，確保設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠保證建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。為達(dá)到這一要求，必須對(duì)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的了解，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用各種抗震措施，使建筑物滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。

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