現代建筑結構抗震設計及加固處理措施

◎吳新春

引言：地震的發(fā)生往往很突然，嚴重威脅了人們的生命財產安全。因此，人們也越來越重視建筑物的質量安全。目前，設計人員在進行高層混凝土建筑結構設計時，需要將建筑的抗震性能考慮在內，大力發(fā)展建筑抗震技術。設計人員必須做好建筑抗震技術研究工作。對于混凝土建筑設計而言，抗震設計中最為重要的是把控建筑結構，只有建筑物的整體抗震能力達到標準，才能夠抵抗地震災害。因此，相關建筑設計人員必須對高層混凝土建筑抗震結構設計予以高度重視，在開展設計工作之前，做好結構設計分析工作，從而有效提高高層混凝土建筑的綜合質量及安全性。

一、現代建筑結構抗震概念設計的重要性

經過大量的地震災害后，人們逐漸意識到了建筑結構抗震性設計的重要性，并提出了“概念設計”而良好的“概念設計”能夠在一定程度上決定建筑結構的抗震性。其目的就是為了能夠合理地去選擇建筑物的結構形式，以合理的建筑結構來進一步滿足人們對建筑物的“大震不倒”的要求。在進行結構抗震設計時，建筑結構設計者需要不斷地提高對抗震設計的認識和設計水平，在最終選擇建筑方案時可避免業(yè)主的干涉，盡量避免因建筑物的大小、形狀及布局等因素而出現較明顯的缺陷。此外，建筑結構設計方案也不容易受到業(yè)主的經濟觀和使用觀的影響，因為過于盲目地將建筑結構下部的延展性降低就會在一定程度上導致建筑結構中抗震墻的數量、形式等方面存在不合理現象，影響建筑物的整體質量。

二、高層混凝土建筑在地震作用下的破壞特點

地震對高層混凝土建筑的破壞可分為四大方向，地基破壞、結構體系破壞、剛度破壞、構件破壞。若建筑整體處于柔弱土層上，則易發(fā)生地基破壞，這是由于地震中土體液化會導致基礎沉降的發(fā)生，這會致使高層混凝土建筑上部出現傾斜、地基發(fā)生不均勻沉降現象，同時使建筑物產生裂縫。而結構自身的結構周期與場地周期相一致時更會發(fā)生共振效應，進而導致更為嚴重的結構破壞狀況發(fā)生。若地震中的建筑是框架填墻類結構，則地震發(fā)生時，框架的內框架柱上部會有剪切型破壞發(fā)生。而由于窗下墻的存在，窗洞部分會發(fā)生短柱型破壞。當高層建筑以矩形平面式作為主體結構時，一旦建筑中電梯井等結構發(fā)生偏心，地震帶來的扭轉震動作用會使得地震破壞力度大為增加。除此之外，L 形及三角形的不對稱式平面形式在地震中易發(fā)生比矩形更大的扭轉震動式震害。而在應用框架剪力墻的建筑結構中，房柱會比房板和墻面的破壞更為嚴重。由于框架柱中螺旋箍筋的設置，使框架間具有更大的層間位移角，進而使得框架柱對地震的抵御能力更強。

三、高層混凝土建筑抗震結構設計的主要原則

1.建筑結構合理性原則。

在實際建設過程中，設計人員需要有效結合目前建筑物的真實情況，選擇較為合理的構建方式。一般來說，設計人員需要在確定整體結構之后，采用系統(tǒng)化的方法對結構進行分析。不同的建筑物之間存在差異，建筑物的構件也會存在一定的差異，但是在實際的選擇過程中，設計人員必須按照結構合理性的原則來選擇。建筑物自身能夠對一部分剛度較差的梁體結構起到穩(wěn)定支撐的作用，一些需要承受豎向荷載的構件不能轉變?yōu)楹哪軜嫾?，這是因為豎向結構十分脆弱，容易產生受力不均勻的情況，當發(fā)生地震時，部分位置容易坍塌。因此，所有構件都應該具有很強的延性，設計人員不僅要考慮工程近況，還要充分考慮工程后續(xù)發(fā)展情況。

2.建筑環(huán)節(jié)不同的抗震防線原則。

在高層混凝土建筑中，對于抗震防線而言，設計人員在不同的工程環(huán)節(jié)中需要進行不同的工程設計與資源配置。設計人員可以對高層建筑工程進行分級，在比較脆弱的位置設計多個抗震防線，這樣即使發(fā)生地震，也會有效防止連帶問題。此外，如果只是單一地設置一道防線，一旦發(fā)生余震，就有可能導致災情的進一步惡化。構件之間的強弱關系也可以視作彈性變化的有效關系，在主體構件遭受一定的沖擊之后，第一道防線就會被完全突破，由于后面防線與第一道防線存在一定的受力距離，因此第一道防線不會直接對第二道防線造成影響，進而有效保證了建筑物的安全性。

3.建筑不同部位的抗震設計原則。

對于一些具有強弱關系、距離過大的位置，設計人員需要合理應用不同的抗震設計結構。相關設計人員必須在開展結構設計工作之前，進行受力試驗，充分考慮并結合每個構件的承載能力，準確判斷局部構件的承載能力是否符合荷載要求。但是，除了局部構件的穩(wěn)定性需要再次確定以外，整體構件的穩(wěn)定性不能因為局部構件的穩(wěn)定性增強后而受到忽視。簡單來說，局部構件的受力效果、剛性程度、承載力的協(xié)調狀況都需要根據構件形式的不同進行適度調整。另外，現場建設人員需要有效保證局部構件受力均勻，不能因為某個部位承載力較強，就減小這個部位的強度，因為這會增加其他部位的荷載，當發(fā)生地震時，就會影響整個建筑物的穩(wěn)定性。

四、現代建筑結構抗震設計及加固處理措施

1.建筑材料的選擇。

建筑材料的選擇對抗震效果有著決定性的影響。一些位于地震帶附近的國家為了保證建筑的抗震效果會選擇更加優(yōu)質的建筑材料，并且會鼓勵建筑設計者創(chuàng)新和研發(fā)新的建筑材料來對抗地震災害，從而保護居民。通過對建筑抗震效果的調查可以看出，磚瓦類型的建筑抗震效果較差，所以采用磚瓦結構的建筑越來越少，而采用箱體式結構類型能夠提升建筑的抗震效果，其應用范圍在不斷擴大。結合目前建筑行業(yè)的發(fā)展，防震材料的應用已經有了較好的思路，既能夠滿足建筑抗震的數據需求，還能夠兼顧建筑方的適用性和經濟性。在傳統(tǒng)的防震設計中，在建筑物的底部鋪設粘土和砂石用來吸收地震發(fā)生時所產生的能量?，F代防震設計的理念在原有的基礎上進行了較大程度的升級，借助瀝青材料對建筑的基底加以改造，既能夠保證抗震效果，也能夠增強建筑物日常使用的穩(wěn)定性。另外，在墻體建筑材料的使用上，可以選擇材質較輕的材料，這樣就能夠減輕建筑自身的重量，在地震發(fā)生時減少建筑的承載力，從而保證抗震效果。

2.優(yōu)化抗震結構的功能及體系。

高層混凝土建筑在當今社會中得到了廣泛應用，促進了建筑行業(yè)的發(fā)展，但是高層混凝土建筑施工對建筑的綜合施工效果提出了更加多元化的要求，對建筑的整體抗震性能提出了更加嚴格的要求。設計人員需要優(yōu)化建筑結構，在減少工程造價的同時，有效提高建筑的抗震性能。因此，建筑企業(yè)需要從優(yōu)化抗震結構體系入手，對高層混凝土建筑的抗震結構進行綜合性改良。在具體的施工過程中，施工人員需要應用剪力墻、筒體結構、懸掛等施工方法，來提高高層混凝土建筑的抗震結構體系和整體結構體系的科學性。施工人員在應用框架核心筒結構時，可能會遇到許多問題。例如，在施工中，懸臂桁架層數不斷增加，某些層數的強度不足，無法滿足相應的施工需求，從而嚴重影響建筑的剛度以及承重能力，如果發(fā)生地震，則高層混凝土建筑將無法保持原狀。建筑企業(yè)在優(yōu)化建筑抗震體系的過程中，需要有效地控制建筑的施工成本，從而在確保建筑質量的前提下獲得更加可觀的經濟效益。

3.充分了解周邊環(huán)境，因地制宜展開設計。

高層混凝土建筑的設計建造過程中，應將對地震等有關自然災害的預防囊括在結構設計過程中。故而，對建筑位置的合理選擇，能夠顯著提高相關結構的抗震能力。位置的選擇應依托于相應科學理論，并在對備選位置周邊地形地貌進行廣泛勘探后挑選適合位置后開展工程建設。這期間應注意高層混凝土建筑周邊不應出現變電站、發(fā)電廠等安全不穩(wěn)定因素，并盡量將位置選擇在平緩地帶，避開山坡、沼澤等不利于抗震的地點。結構設計方案的制定應在國家有關標準體系框架內，而實際施工過程中的結構自身應具備一定的空間調節(jié)能力。以確保外力影響下結構建筑結構具備一定的結構延伸能力，具有依托記憶形狀恢復至先前形狀的能力。這一做法能夠有效增強結構的抗震性能，并以這一延展性方案延長建筑的耐久性。例如，抗震結構設計過程中設計團隊應對建筑周邊環(huán)境進行實地考察，通過構建不同專業(yè)人員組成的實地勘察組，對施工地點以及周邊環(huán)境的地質狀況實現有效勘測。以此完善設計結構，對建筑中的關鍵連接點進行附加式穩(wěn)固措施，在材料的選擇過程中應兼顧材料的剛性和可延展性，主要是依托實地市場調研的方式，結合抽樣檢查等方式，對材料的實際特點與特性進行了解，堅持“只選對的，不選貴的”的原則，以實現傳統(tǒng)材料和新型抗震材料的兼顧運用，從而在材料方面提升建筑的抗震性。

4.有效開展建筑平面布置。

在高層建筑混凝土結構設計的過程中，建筑設計人員應該堅持合理性、對稱性、均勻性的基本原則，有序地完成平面布置工作。一般而言，在水平地震波的作用下，建筑的各個樓層都會產生明顯偏移。具體來說，建筑的各個樓層都會產生完全變形、整體平移、整體扭動及剪切變形。因此，不同的結構需要應用不同的控制方式，只有這樣，才能有效控制變形?？刂品绞桨s減柱距離、縮減梁距離、設置鋼臂、應用雙重抗側體系、設置豎向支撐等。設計人員需要采取交錯式的設計方法來擴大建筑房屋的跨度，從而有效提高建筑整體結構的抗震能力，并且不會對建筑薄弱層位置造成拉伸影響，不會引起較大的位移和形變，最終使得高層建筑物的整體抗震能力達到國家規(guī)定的標準。

5.合理選擇鋼結構類型。

由于鋼結構的抗震體系并不屬于單一類型，種類較為豐富且較為多元化，所以在進行鋼結構建筑的施工過程中，需要按照建筑施工所使用的材料以及鋼結構建筑的實際高度，對相關的施工工藝展開科學選擇。應保證所選擇的鋼結構類型能夠與具體的抗震等級要求相符合，可對施工活動順利開展形成有效促進作用，從而為后續(xù)各項操作的高質量開展奠定良好基礎。

6.結合實際條件優(yōu)化抗震方案。

建筑抗震方案是抗震設計的核心，也是施工準備的前提條件?？茖W的抗震方案在項目建設的過程中能夠起到指導性的作用，對建筑的安全有一定的保證。在方案設計時首先需要考慮的就是建筑的整體結構，這也是提升抗震系數的重要手段。在混凝土建筑施工的過程中還需要充分考察施工現場，尤其是對當地的地質情況和地質外貌，要做到充分了解，避免在建設的過程中出現數據偏差。一定要經過嚴格的分析和計算，不斷優(yōu)化建筑的抗震能力?？傮w來說，抗震方案的設計是在科學分析的基礎上展開，在執(zhí)行過程中不斷改良和完善，最終對建筑的抗震性提供最佳的保障。

7.建立構件受力模型，建立“框-剪力”結構。

在對抗震結構進行整體分析時，需要建立各構件的受力模型。以此確認結構不同部位的不同受力情況，并依托受力模型進行常見地震情況下建筑的應力方向、大小分析。以此為基礎采取適當的結構性補充措施，以增強地震發(fā)生時建筑抗震性能的穩(wěn)定性。這期間應尤其注重豎向結構上建筑的重力分布，以確保結構縱向上各組分受力均勻、結構受力合理且在適中范圍內、各受力結構間未發(fā)生交錯，應確保各受力組分間層次分明，各司其位。在此基礎上對整體結構進行優(yōu)化補充，對補充結構做出對應的美學設計，以確保建筑抗震性能與美學特征的雙重提升?？拐鸾Y構設計中主體結構下包含多個延性分體系，各延性分體系間應進行有效的協(xié)同連接。例如，可建立“框-剪力”結構，以此形成多肢剪力墻結構分系。因為高烈度地震后往往有余震的發(fā)生，故而單一抗震防線的建立并不能有效應對余震。因此設計人員應模擬地震發(fā)生情況，在同一平面主體構建達到屈服程度后，確保其余抗側力部件仍能處在彈性延展過程，以此實現主體結構有效屈服能力的躍升。由于鋼筋混凝土自身自重較大，故而底層柱軸力相較于建筑高度成反比態(tài)勢，在設定固定層高前提下，整軸壓比的抬升是提升固件延性的主要措施，但軸壓比不能過大，不然會導致結構短柱的形成。結構短柱延性極差，極易導致在地震中發(fā)生剪切破壞，進而使得建筑整體坍塌。以實踐過程中結構短柱的加固為例，設計團隊在結構短柱已經發(fā)生的情況下對其進行加固，有兩個主要的加固設計方向。首先是對螺旋復合箍筋的使用，由于建筑框架柱的抗剪能力應符合強剪弱彎及剪壓比指標，而短柱結構對這一標準并不適用。這時應加入螺旋復合箍筋，以此提升框架柱抗沖剪能力，對混凝土約束實現優(yōu)化，使得短柱抗震能力得到提高。除此之外，還可選用分體柱形式，即將支柱循其豎向進行設縫，將整體短柱化為若干分體柱，并通過分體柱配筋在柱肢間安裝隔板、摩擦阻尼器等連接件提高柱子的延性及整體抗變形能力。使得地震發(fā)生時短柱的破壞方式由應力剪切向整體彎曲轉換，從而使得短柱功能向長柱轉變，以此實現抗震能力的提升。

五、結束語

總而言之，在地震頻發(fā)的環(huán)境下，加強對現代建筑結構抗震設計和加固處理是非常必要的，當基于合理的角度上明確建筑結構的具體形式之后，就需要科學地布置建筑物的結構抗震設計，只有這樣才能夠最大限度地避免因抗震不利而造成的嚴重后果。因此，不斷創(chuàng)新和優(yōu)化建筑結構設計，是保障人們生命財產安全的重點，更是建筑行業(yè)得以持續(xù)發(fā)展的關鍵。