民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計淺析

蔣朝文

東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 江蘇 南京 210096

引言

地震是一種經(jīng)常發(fā)生的自然災(zāi)害，其發(fā)生沒有規(guī)律性，主要是地殼運動引起的災(zāi)害，當(dāng)?shù)貧み\動強(qiáng)度達(dá)到一定程度的時候，形成的地殼水平和豎向運動，就會以地震波傳導(dǎo)到地表，對建筑物的安全產(chǎn)生破壞性的影響。我國地域廣闊，地震參數(shù)各地均有不相同，民用建筑設(shè)計時不因地制宜合理選用地震參數(shù)，則會對人們的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生很大的影響。隨著地殼的運動，各地地震也頻繁發(fā)生，若民用建筑的抗震能力又不突出，就會產(chǎn)生很大的損失，影響社會和諧發(fā)展。因此必須重視民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中的抗震設(shè)計。

1 民用建筑抗震設(shè)計基本原則

民用建筑是立于地表面的建筑物，其豎向荷載主要依靠柱、墻等豎向構(gòu)件傳至地面，而地震運動為水平運動和豎向運動，在地震作用下民用建筑即為固定在地表產(chǎn)生水平振動或豎向振動，使建筑物產(chǎn)生水平和豎向地震力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，因此良好的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度分布，能夠在不增加建筑成本的同時，提高建筑物的抗震性能。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能形成建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下各構(gòu)件之間力的相互作用，結(jié)構(gòu)均勻受力以最穩(wěn)定的方式進(jìn)行耦合，特別在關(guān)鍵部位提高抗外力破壞的剛度和承載力，能取得抗震的理想效果。因此民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，首先應(yīng)合理選擇建設(shè)場地，其次根據(jù)建筑高度和特點合理選擇結(jié)構(gòu)體系，再則應(yīng)采用新材料新技術(shù)等措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計，提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能[1]。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中影響抗震能力的因素

2.1 建筑抗震場地

建筑場地一般可分為：有利地段、一般地段、不利地段和危險地段。地震對建筑結(jié)構(gòu)的損壞，其所在的場地條件有較大的因素，例如地表錯動和斷裂，地基土的沉陷、滑坡和液化，等等。因此，在建造設(shè)計民用建筑時，應(yīng)對建筑所在場地進(jìn)行根基當(dāng)?shù)氐卣鸹顒雍凸こ痰刭|(zhì)資料綜合評價，選擇抗震有利地段。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)體系

在進(jìn)行抗震設(shè)計時，必須考慮好建筑物局部、整體的關(guān)系，建筑物的結(jié)構(gòu)體系與建筑物的安全性形成密切聯(lián)系，建筑結(jié)構(gòu)體系要合理設(shè)計和布置，否則會導(dǎo)致整個建筑的抗震效果受到影響。同一地區(qū)不同結(jié)構(gòu)體系建筑物在地震中的反應(yīng)和破壞程度均不同，合理的結(jié)構(gòu)體系能使建筑物整體結(jié)構(gòu)的抗震性能不受到局部結(jié)構(gòu)被地震破壞以后而影響結(jié)構(gòu)整體安全，建筑物的構(gòu)件強(qiáng)度和剛度都要維持均衡，設(shè)計時避免分配不合理，否則就因為局部構(gòu)件首先破壞，而降低建筑物整體結(jié)構(gòu)的抗震能力[2]。

3 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念

3.1 建筑具備規(guī)則特性

要使民用建筑的抗震性能達(dá)到理想目標(biāo)，就要注意建筑物的規(guī)則性，只有使建筑物滿足一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)則性，才能夠使建筑，特別是高層建筑扭轉(zhuǎn)剛度比較突出、結(jié)構(gòu)剛度、承載力分布均勻。結(jié)構(gòu)規(guī)則性主要指建筑結(jié)構(gòu)平面規(guī)則和豎向規(guī)則，如果建筑物的結(jié)構(gòu)平面和豎向剛度均勻，那么就能夠使建筑物自身的力量能夠承受住地震產(chǎn)生的水平力的沖擊，整棟建筑結(jié)構(gòu)不會受到嚴(yán)重的破壞，另外平面、豎向的質(zhì)量也要均勻分布，這樣才能夠使建筑物的抗震性能更加突出。

3.2 建筑層間位移限制

在進(jìn)行民用建筑的設(shè)計時，應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的水平位移、各樓層層間的位移角加以限制，否則結(jié)構(gòu)會因變形過大而破壞，對生產(chǎn)生活和人民生命安全產(chǎn)生影響。對建筑層間的位移大小能夠發(fā)生影響的因素，包括了結(jié)構(gòu)體系特點、使用荷載和建筑高度層高等要素。建筑物結(jié)構(gòu)時要根據(jù)建筑物使用荷載和建筑物高度合理選擇結(jié)構(gòu)體系，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)剛度，使其在地震作用下既有良好的變形能力，又不至于變形過大，這樣才能夠提高建筑物的舒適性、安全性和穩(wěn)定性。

3.3 控制地震對建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

假如建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、抗側(cè)承載力分布不均勻，質(zhì)量中心和剛度中心沒有重合，地震作用下就會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)抗震能力大大受到限制。在發(fā)生較強(qiáng)烈的地震的時候，扭轉(zhuǎn)剛度較弱的建筑物，非常容易坍塌。因此提高建筑物抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，首先建筑外圍結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，還要重視建筑物抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要避免不同樓層之間的剛度中心不在一條主線上，造成上下層間的偏位[3]。

4 民用建筑中常見結(jié)構(gòu)形式的抗震性能

在民用建筑的常用結(jié)構(gòu)形式中，最常用的包括了磚木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等幾種形式，每一種形式的抗震性能都有差別。

4.1 磚木結(jié)構(gòu)抗震性能

磚木材料在以往經(jīng)濟(jì)技術(shù)落后時代的民用建筑中非常常用，此類建筑采用木材起到支撐作用，承重墻使用磚石材料進(jìn)行堆砌。但是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時候，建筑物的結(jié)構(gòu)有時易被破壞，甚至出現(xiàn)坍塌的情況，縱橫墻的連接也不牢固，因此建筑物的整體抗震性能不佳，需要逐步改進(jìn)。因此，在歷次地震災(zāi)害中，此類房屋破壞較為嚴(yán)重。

4.2 砌體結(jié)構(gòu)抗震性能

現(xiàn)在在我國農(nóng)村和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)仍然使用這種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有多種工藝形式，所形成的建筑物的體積和重量也千差萬別，但是多是以小型開間的房屋為主。因為內(nèi)外墻比較多，相比磚木結(jié)構(gòu)建筑物能產(chǎn)生較好的抗側(cè)力剛度，使建筑物的抗震性可以整體提升。由于磚砌體這種材料是一種脆性材料，不容易變形，卻容易開裂，在地震發(fā)生的時候可，能出現(xiàn)交叉裂縫，甚至局部出現(xiàn)坍塌。因此，在歷次地震災(zāi)害中，此類房屋破壞也較為嚴(yán)重。

4.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能

當(dāng)前民用建筑的所用結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，除了從單層向多層形式發(fā)展之外，傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu)也越來越多地被其他的材料所取代，例如鋼筋混凝土材料在現(xiàn)在的應(yīng)用就比較廣泛。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要是用鋼筋混凝土這兩種材料進(jìn)行搭配，可以形成框架結(jié)構(gòu)，可以形成剪力墻結(jié)構(gòu)，也可形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。因為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可使用周期長，鋼材的消耗量不是很大，因此成本低，所以受到建筑設(shè)計者的重視。這種材料形成的結(jié)構(gòu)空間可以靈活分隔，墻體重量不高，但是抗震性能卻不受到影響，其中含剪力墻的結(jié)構(gòu)比純框架結(jié)構(gòu)的抗震性能更加突出。因此，在歷次地震災(zāi)害中，此類房屋破壞較為輕，可修復(fù)性強(qiáng)。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能

用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)在應(yīng)用范圍越來越大，鋼結(jié)構(gòu)材料有很好的強(qiáng)度，外力的沖擊不容易使鋼結(jié)構(gòu)變形。另外，使用鋼結(jié)構(gòu)材料的施工工藝也比較簡單，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以通過合理的構(gòu)件截面設(shè)計，利用鋼材料的性能優(yōu)勢，提升建筑物的抗震能力，鋼結(jié)構(gòu)還有很好的可塑性、延展性，而且這種性能不影響鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和重量，因此鋼結(jié)構(gòu)是抗震性能非常顯著的建筑材料，即便是高烈度的地震，也能夠因為鋼結(jié)構(gòu)的存在而使其破壞性降低，但是鋼結(jié)構(gòu)的造價比較高。因此，在歷次地震災(zāi)害中，此類房屋破壞也較輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞方便替換后繼續(xù)使用[4]。

5 增加民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震能力的策略

5.1 選擇有利的抗震場地

建筑物的抗震性能除了受自身結(jié)構(gòu)影響，還受所在地區(qū)的氣候和地質(zhì)條件的影響，這是首要環(huán)節(jié)，必須高度重視。高層建筑所在的場地的地形條件，對于建筑物的抗震性能影響更大。如果地表有較硬的土質(zhì)進(jìn)行覆蓋，那么建筑物的穩(wěn)定性就容易因為地基穩(wěn)固而不容易出現(xiàn)問題。如果地表覆蓋很厚的軟質(zhì)土層，那么發(fā)生地震時，就容易出現(xiàn)安全問題，另外一些不平整的丘陵、山梁地帶，也容易使建筑物受到地震的破壞，如果建筑物處于斷層地帶，還容易出現(xiàn)滑坡等情況。因為地基錯位會導(dǎo)致建筑物的安全性能顯著下降，因此在進(jìn)行民用建筑的設(shè)計時，要避開這類安全性能比較差的地區(qū)，或者采取必要的措施降低在這類地區(qū)所建設(shè)的建筑物的風(fēng)險性。

5.2 設(shè)置多重抗震防線

地震發(fā)生時，如果抗震防線不足，那么建筑物的安全性能就下降，就不容易保證人的生命和財產(chǎn)安全，因此在對民用建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行設(shè)計時，要設(shè)置多重抗震防線，使用的材料要具有很好的延展性能，這樣才能夠緩沖地震發(fā)生時產(chǎn)生的沖擊力，使地震的破壞程度最大程度被控制。

5.3 合理設(shè)計建筑平面和空間

要根據(jù)最新版的建筑抗震設(shè)計規(guī)范對建筑物的平面和空間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，來對建筑的形狀、抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，要避免在抗震保護(hù)層的第一環(huán)節(jié)選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因為這種結(jié)構(gòu)軸壓較大，不容易提升建筑物的抗震性能。還要提升建筑物抗擊余震破壞的能力，盡可能使住宅的形狀比較規(guī)則，使剛度和強(qiáng)度在建筑物空間內(nèi)能夠均勻分布，這樣的建筑物的平面和空間才能夠不容易受到地震的破壞。

5.4 提高建筑薄弱部位的抗震能力

提升建筑物的抗災(zāi)水平，要重點關(guān)注薄弱部位的抗震能力建設(shè)。要通過科學(xué)的計算，合理的設(shè)計，確保建筑物整體的抗震性能不受到薄弱結(jié)構(gòu)的影響，還要協(xié)調(diào)好民用建筑各結(jié)構(gòu)之間的承載力的關(guān)系，防止薄弱部位在受到震動影響時發(fā)生變形，從而使建筑物的抗震性能下降。最容易出現(xiàn)問題的局部環(huán)節(jié)，要加強(qiáng)質(zhì)量建設(shè)，要特別注意材料的選擇以及建造工藝的合理性。

5.5 設(shè)置隔震減震裝置

不少民用建筑在高烈度地區(qū)一味采用抵抗地震作用影響而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面尺寸過大、材料使用過多，因此影響了外觀，建筑在建造過程中難度也很大。但是如果建筑結(jié)構(gòu)體系中在預(yù)先設(shè)計好減震裝置，從而使建筑物的在水平力作用下阻尼增大，或者在地面處設(shè)置地震隔斷裝置，從而減小建筑物的抗震作用，提高建筑抗震性能，提高主體結(jié)構(gòu)的安全，因此必須做好減震隔震裝置的設(shè)置工作，優(yōu)先使用隔振器設(shè)備、阻尼器設(shè)備使主體結(jié)構(gòu)和地基之間，能夠建立一個性能穩(wěn)定的免震層，從而減少建筑物受到地震破壞的程度[5]。

6 結(jié)束語

由上可知，在不可抗力的地震災(zāi)害面前，雖然無法做到有效的規(guī)避，但是可以通過加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計來提高建筑的穩(wěn)定性。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在做好建筑選址的前提下，對抗震參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計，并在設(shè)置多種抗震防線的基礎(chǔ)上，做好建筑空間布局設(shè)計，以提高建筑整體的安全穩(wěn)定性能。雖然各種建筑結(jié)構(gòu)形式都有較好的抗震能力，但是人口密度增大以后，加上各種氣候、地質(zhì)等外在條件的影響，以及使用年限增加以后，材料開始老化，會導(dǎo)致建筑的抗震性能發(fā)生變化，因此在進(jìn)行建筑的時候，必須提高結(jié)構(gòu)抗震安全設(shè)計水平，提高建筑的抗震性能，以便保證居民的居住、生產(chǎn)和生活要求得到滿足。要不斷融入最新的抗震理念，從建筑設(shè)計開始，就對建筑物的建筑性能可能受到的影響因素進(jìn)行全面分析，從而保證建筑物的安全，保證人民的生命財產(chǎn)安全。