抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用論述

曲勝虎

摘 要 下文立足于國內(nèi)外有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的成熟研究，首先闡述了我國抗震設(shè)計方法、發(fā)展概況以及現(xiàn)存問題，然后對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的應(yīng)用進(jìn)行了詳盡論述，以期為廣大從業(yè)者提供有價值的參考借鑒。

關(guān)鍵詞 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;抗震設(shè)計;設(shè)計方法

我國地震活動表現(xiàn)為震源淺、分布廣、頻度高、強(qiáng)度大，是一個震災(zāi)嚴(yán)重的國家。2018年中國發(fā)生地震次數(shù)為11次，最近十年中，2014年發(fā)生的地震次數(shù)最多達(dá)到20次。2018年，中國地震災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)302716萬元。我國建筑行業(yè)發(fā)展起步時間相對較晚，半個世紀(jì)以來，我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法、地震學(xué)理論、動力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)理論從無到有，在不斷學(xué)習(xí)借鑒發(fā)達(dá)國家成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷完善。時至今日，我國已經(jīng)成為世界上最大的建筑市場，但是建筑抗震設(shè)計水準(zhǔn)卻相對低下。當(dāng)前，應(yīng)根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況、建筑行業(yè)發(fā)展情況、建筑設(shè)計行業(yè)發(fā)展情況，探尋安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。

1我國抗震設(shè)計方法發(fā)展概況以及現(xiàn)存問題

根據(jù)現(xiàn)行的動力學(xué)理論以及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，大致可將建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計分為兩個類型：一是時程分析法、反應(yīng)譜振型分解法。改革開放以來，我國參考國家上應(yīng)用較為廣泛的設(shè)計方法，順應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展趨勢，逐步完善符合我國建筑行業(yè)需求的建筑抗震設(shè)計規(guī)范。比如，在二十世紀(jì)八十年代發(fā)布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ11-89）中就表現(xiàn)出了符合國際建筑設(shè)計慣例的性能設(shè)計方法，并將該設(shè)計思想歸納為不同的水準(zhǔn)，以有效控制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)變形能力。性能設(shè)計方法是相對精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，除最基本的安全要求之外，還需要同步考慮到建筑的多種功能以及建筑的舒適度要求。中國地震工程力學(xué)所等標(biāo)準(zhǔn)制定協(xié)會則在現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支持下編織出了一套完善的《建筑工程抗震性能設(shè)計通則》[1-2]。

建筑所遭遇的地震作用是偶然載荷以及可變載荷，此類載荷發(fā)生是隨機(jī)且不可控的，概率相對較低，考慮到經(jīng)濟(jì)需求，若設(shè)置過高的建筑抗震結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)是不可行的，在這種情況下，應(yīng)找到經(jīng)濟(jì)性、性能等因素的平衡點。從該角度分析，在基本的地震作用下以及烈度作用下建筑結(jié)構(gòu)如何避免倒塌應(yīng)是建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計所考慮的主要問題。客觀而言，我國目前欠缺在大震作用下的康倒塌設(shè)計以及變形控制，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中對基本烈度下的地震作用也沒有進(jìn)行全面的變形驗算，對罕見地震作用下的變形驗算要求相對有限。亟須以建筑構(gòu)造為基礎(chǔ)，確定定性、定量的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，但是國際上所通用的建筑抗震設(shè)計規(guī)范驗算方法都是以反映譜理論為基礎(chǔ)的，尤其是針對多遇地震載荷作用下的抗震驗算，需綜合考慮到彈性設(shè)計假設(shè)條件，在基本烈度地震條件綜合考慮方面，也應(yīng)該采用反應(yīng)譜振型分解方法。另外，因輸入地震和結(jié)構(gòu)計算模型存在較大的不確定性，所以在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面存在諸多問題，輸入地震、結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則、安全性評價技術(shù)等都是需要進(jìn)一步深究的問題[3-5]。

2抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 可靠度設(shè)計方法在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

抗震設(shè)計是一個存在一定隨機(jī)性的問題，比如地震發(fā)生宏觀機(jī)制、局部作用機(jī)制、彈性回跳理論、建筑豎向載荷變化、建筑風(fēng)載變化、材料力學(xué)性能等都存在一定的不確定性，對于房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，應(yīng)通過不斷的分析來掌握這些因素的變化規(guī)律以及特征，最大限度來消除這些隨機(jī)性。除了地震輸入，建筑結(jié)構(gòu)對地震的響應(yīng)機(jī)制也是不確定的，其中最主要的就是基礎(chǔ)和地基之間的相互作用。國內(nèi)所用的可靠度設(shè)計方法主要是指，將地震視作為一個隨機(jī)過程且和時間無關(guān)的平穩(wěn)隨機(jī)元素，并通過單一的參數(shù)來表達(dá)地震的發(fā)生概率，采用泊松模型來描述這個隨機(jī)過程。所以可見，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計其實并沒有足夠的、由實際發(fā)生統(tǒng)計數(shù)據(jù)來支持建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。我國目前現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，一直沿用著二十世紀(jì)八十年代所確定的“小震不壞、中震可修、大震不到”設(shè)計原則，和目前大多數(shù)發(fā)達(dá)國家的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念相同，有所不同的是，日本、美國等發(fā)達(dá)國家抗震設(shè)計主要參考結(jié)構(gòu)的承載力，我國則以小震具體情況為設(shè)計依據(jù)[6]。

R-μ-T關(guān)系（R是指地震作用下的建筑結(jié)構(gòu)折減系數(shù)、μ是指建筑結(jié)構(gòu)的延性、T是指建筑結(jié)構(gòu)的剛度）是可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)參考因素。通俗而言，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計需要在滿足一定剛性需求的前提下，盡可能通過高質(zhì)量的延性設(shè)計來折減地震作用。比如，美國的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)UBC 1997就將中震為抗震設(shè)計的設(shè)防目標(biāo)，充分展現(xiàn)了R-μ-T關(guān)系原則，我國抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范則不然，無論何種建筑結(jié)構(gòu)體系，無論建筑抗震烈度的高低，折減系數(shù)均可取值為1/2.86。但是，不同區(qū)域、不同建筑結(jié)構(gòu)形式、不同高度的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法也存在一定的差異，在設(shè)計過程中就需要充分考慮到該因素，如此才能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)。比如，廣州地區(qū)的一類、二類場地的超高層建筑，就必須通過提高梁體、主體、核心筒的截面尺寸增加建筑結(jié)構(gòu)剛度;上海地區(qū)的四類場地超高層建筑，不僅要保證結(jié)構(gòu)各項控制性指標(biāo)滿足現(xiàn)行指導(dǎo)規(guī)范要求，也需要保證其剪重比滿足最小地震作用要求。

2.2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度控制在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

一般高層建筑、超高層建筑必須要有足夠的側(cè)向高度才能夠滿足抗震要求，并保證建筑的功能性以及舒適性，避免建筑構(gòu)件處于不利的受力狀態(tài)。以超高層建筑為例，超高層建筑側(cè)向高度需要從不同的高度方向來探討抗震設(shè)計。一是結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)體系選擇目前有大量的理論研究以及工程實踐可供借鑒。比如，高度小于200m的高層建筑，其抗側(cè)力無明顯空間作用，可選擇框架、剪力墻、框架+及剪力墻、框架支撐結(jié)構(gòu);高度在200～300m之間的高層建筑，存在部分抗側(cè)力空間作用，可選擇框架+核心筒、分散獨立筒、框筒、框架+核心筒+加強(qiáng)層結(jié)構(gòu);高度在300～400m的超高層建筑，存在明顯的抗側(cè)力空間作用以及巨型結(jié)構(gòu)載荷作用，可選擇框架+核心筒+伸臂加強(qiáng)層、筒中筒結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)等;高度在400m以上的高層建筑，有較為突出的抗側(cè)力增強(qiáng)空間作用，可選擇筒中筒+伸臂加強(qiáng)層、交叉網(wǎng)格外筒+核心筒、核心筒+支撐框架、核心筒+伸臂桁架+巨型框架結(jié)構(gòu)。

實際上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)體系選擇并不是一個既定的要素，具有一定的可調(diào)整空間，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮到建筑功能以及建筑品質(zhì)要求。一是要采用空間作用相對建筑的結(jié)構(gòu)體系;二是要盡量將抵抗傾覆彎矩豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置在結(jié)構(gòu)邊緣處;三是要盡量將豎向力傳遞給抵抗側(cè)向傾覆力豎向構(gòu)件;四是要保證豎向構(gòu)件盡可能和主體結(jié)構(gòu)共同受力。

3結(jié)束語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是一個相對復(fù)雜的問題，需考慮的因素較多，對于廣大從業(yè)者而言，應(yīng)積極吸取當(dāng)前成熟的方法以及經(jīng)驗，在合理選擇建筑結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，綜合考慮到機(jī)電安裝、舒適度、功能性等因素，不斷對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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