土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計

文／郭泰寅 蘭州新區(qū)市政設(shè)計研究院有限公司 甘肅蘭州 730000

引言：

地震是威脅人類安全的主要自然災(zāi)害，我國地震區(qū)域分布廣，是地震災(zāi)害嚴(yán)重國家。近幾年我國部分地區(qū)相繼發(fā)生強(qiáng)烈地震，地震是人類難以準(zhǔn)確預(yù)測的自然災(zāi)害，發(fā)生地震災(zāi)害可迅速摧毀城市建筑物?？拐鹪O(shè)計是土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要部分，是研究土木工程結(jié)構(gòu)的重點。大部分按抗震規(guī)范設(shè)計施工建筑物經(jīng)受地震的考驗，現(xiàn)階段我國某些土木工程項目建設(shè)未科學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，導(dǎo)致威脅建筑工程質(zhì)量安全。隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，建筑業(yè)得到蓬勃發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提出更高要求，要保證土木工程建設(shè)減輕地震災(zāi)害，需要將抗震設(shè)防工作貫穿于場址選擇，設(shè)計施工等各階段。目前對土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計已有大量研究，但現(xiàn)有研究不夠系統(tǒng)全面，深入研究土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計具有重要意義。

1、土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究

隨著我國城市建設(shè)快速發(fā)展，很多高層建筑出現(xiàn)在城市群中。建筑師創(chuàng)作方案個性追求加大結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，如何兼顧建筑美觀經(jīng)濟(jì)是結(jié)構(gòu)工程是需要解決的問題?？拐鹪O(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標(biāo)，現(xiàn)代建筑要考慮地震引起經(jīng)濟(jì)損失，抗震設(shè)計思想逐步向性能化抗震設(shè)計轉(zhuǎn)變，基于性能的抗震設(shè)計需要研究結(jié)構(gòu)超限判定等方面問題。現(xiàn)行規(guī)范是經(jīng)過大量實驗實踐統(tǒng)計制定的設(shè)計原則，目前我國土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)合規(guī)范逐步完善，制定完整的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論是工程界當(dāng)務(wù)之急。

1.1 土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要性

地震是人類繁衍生息中遇到的自然災(zāi)害，強(qiáng)烈地震會以巨大破壞力為人類生存安全帶來嚴(yán)重危害。地震災(zāi)害占自然災(zāi)害總數(shù)的52%，地震中造成人員傷亡主要因素是房屋倒塌引發(fā)次生災(zāi)害，抗震設(shè)計是預(yù)防減輕地震災(zāi)害的有效措施。全球每年發(fā)生500 萬次地震，6 級以上強(qiáng)震每年發(fā)生100-200 次。全球地震地理環(huán)境位置分為海洋與大陸，發(fā)生陸地地震占15%。地球上地震災(zāi)害大部分來自大陸地震。大陸地震造成災(zāi)害占全球的85%，我國大陸地震占全球的33%，我國地震震源淺，構(gòu)成地震活動頻度高強(qiáng)度大的特征。我國是人口數(shù)量最多的發(fā)展中國家，建筑災(zāi)害抗震能力低，我國省會級城市全部處于地震重災(zāi)區(qū)，城市人口高度密集，發(fā)生地震會造成巨大經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是減輕自然災(zāi)害，保障人民群眾生命安全的重要問題，研究土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計意義重大。土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有助于提高建筑抗震性能，提升結(jié)構(gòu)整體剛度，降低地震對建筑工程的不良影響。

1.2 土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論發(fā)展

人類研究地震災(zāi)害歷史源遠(yuǎn)流長，日本關(guān)東地震造成約14 萬人喪生，唐山地震導(dǎo)致死亡24.2 萬人；汶川地震遇難6.9 萬人。現(xiàn)代地震學(xué)始于精密地震儀出現(xiàn)，經(jīng)過日美等國家努力形成結(jié)構(gòu)抗震理論，經(jīng)歷靜力與動力理論階段。充分運用現(xiàn)代抗震科技成就，對土木建筑工程進(jìn)行有效結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免造成巨大經(jīng)濟(jì)損失是地震工程研究人員追求的目標(biāo)。

靜力法產(chǎn)生于上世紀(jì)初，在美國舊金山等地大地震中人們提出將地震作用視為建筑物水平力，取為建筑重量乘以經(jīng)驗性系數(shù)。日本關(guān)東地震后都市建筑規(guī)范首次增設(shè)抗震設(shè)計規(guī)定，美國UBC 規(guī)范首版采用靜力法。靜力法未考慮結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)隨地基作整體水平剛性移動，產(chǎn)生水平慣性力沿建筑物高度均勻分布。隨著對地震運動性質(zhì)的了解，抗震設(shè)計在五十年代進(jìn)入動力理論階段，主要方法包括時程分析法，地震反應(yīng)譜為基礎(chǔ)的振型分解法，靜力彈塑性分析法等。隨著對反應(yīng)譜理論的研究，各國采用反映結(jié)構(gòu)動力特性的地震反應(yīng)譜法。美國加州抗震設(shè)計規(guī)范采用反應(yīng)譜理論，認(rèn)為系數(shù)K 與地震力及結(jié)構(gòu)物動力特性有關(guān)。荷載決定于施加力與結(jié)構(gòu)壽面，影響地震作用結(jié)構(gòu)力性能包括剛度與質(zhì)量，可以用結(jié)構(gòu)自振周期T與阻力比e 表示，系數(shù)K=a/g·b(T,e),B(T,e)為結(jié)構(gòu)物振動效應(yīng)，a/g 為地震水平最大加速度與重力加速度比。

1.3 我國土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范發(fā)展

抗震規(guī)范編制與各時期抗震設(shè)計理論水平密切相關(guān)，隨著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論的發(fā)展，我國抗震設(shè)計規(guī)范經(jīng)歷相應(yīng)的修改訂。我國土木工程建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計從學(xué)習(xí)國外規(guī)范開始，工程抗震研究經(jīng)歷從無到有的發(fā)展過程，隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)逐步發(fā)展，體現(xiàn)從解決工程實際問題中發(fā)展的經(jīng)驗。目前我國建立土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范，改革開放后，人們生活水平顯著提高，建筑抗震設(shè)計安全度要求不斷增加。抗震設(shè)計規(guī)范將工程中新技術(shù)工藝等系列最新科技成果及時納入，每次地震發(fā)生后工程技術(shù)人員要分析地震原因修改現(xiàn)行規(guī)范。我國抗震設(shè)計規(guī)范制定與國內(nèi)工業(yè)區(qū)地震帶發(fā)展及抗震科研水平密切相關(guān)。GB50011-2010 規(guī)范強(qiáng)調(diào)與其他規(guī)范協(xié)調(diào)，符合國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范規(guī)定。密切規(guī)范中有些規(guī)定不夠具體明確，存在設(shè)計方法有待改進(jìn)，鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法有待探討，豎向地震作用力對結(jié)構(gòu)影響需要研究等不足。需要結(jié)合工程實踐深入研究土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計技術(shù)理論，為建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供指導(dǎo)參考。

2、基于性能的土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析

2.1 PDSB 理論框架

基于性能的抗震設(shè)計理論是美國工程界提出，各國開展廣泛深入的研究。主要內(nèi)容包括理論定義與個性化結(jié)構(gòu)目標(biāo)性能等。美國SEAOC 等組織定義指選擇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)合理規(guī)劃結(jié)構(gòu)比例，控制監(jiān)造質(zhì)量與維護(hù)水平，使結(jié)構(gòu)破壞不超過特定極限狀態(tài)。ATC 定義為結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可取得結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)表示，基于不同強(qiáng)度地震作用得出性能目標(biāo)，采用彈性靜力分析得到系列性能水平，不同結(jié)構(gòu)形式采用不同性能水平?；谛阅芸拐鹪O(shè)計理論以投資效益準(zhǔn)則為依據(jù)，針對不同地震作用水平設(shè)置合理的抗震目標(biāo)性能。（圖1）

圖1 結(jié)構(gòu)壽命周期總費示意圖

在傳統(tǒng)抗震設(shè)計思想理論基礎(chǔ)上，我國學(xué)者提出結(jié)構(gòu)分災(zāi)抗震設(shè)計方法，經(jīng)過近百年的科學(xué)研究，人們對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計概念經(jīng)歷系列發(fā)展變化，包括剛?cè)嵝越Y(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)控制體系。剛性結(jié)構(gòu)體系是增加結(jié)構(gòu)尺寸形成大的剛性整體，使結(jié)構(gòu)高度跨度受到限制。柔性設(shè)計可以減小結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)，但大地震下結(jié)構(gòu)破壞引起倒塌。延性結(jié)構(gòu)體系設(shè)計較為普遍，通過設(shè)計構(gòu)件塑性變形鉸使結(jié)構(gòu)件消耗地震能量。結(jié)構(gòu)控制體系是在特定部位安裝裝置改變結(jié)構(gòu)在地震下動力特性。結(jié)構(gòu)分災(zāi)抗震設(shè)計思想認(rèn)為可將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計分為主體與分災(zāi)元件，分災(zāi)元件由分災(zāi)子結(jié)構(gòu)與構(gòu)造措施等逞，地震作用下破壞損失較小。結(jié)構(gòu)體系主體結(jié)構(gòu)與分災(zāi)元件共同發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)分災(zāi)元件通過分災(zāi)模式改變結(jié)構(gòu)動力特性，保證主體結(jié)構(gòu)安全，確保結(jié)構(gòu)體系正常使用功能。分災(zāi)抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)體系層次明晰，通過分災(zāi)元件高效失效提高主體結(jié)構(gòu)抵御地震災(zāi)害能力。

2.2 PBSD 實現(xiàn)方法

自90年代基于性能抗震設(shè)計思想提出產(chǎn)生眾多設(shè)計理論方法，目前PBSD 設(shè)計法延續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計理論體系，包括基于能量與位移設(shè)計法。結(jié)構(gòu)分在抗震設(shè)計要遵循投資效益準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)可靠度理論等原則。由于結(jié)構(gòu)形式多樣，實際工程中要根據(jù)建筑實際情況研究，有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分災(zāi)功能。應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)總體性概念設(shè)計原則進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計，基于投資效益準(zhǔn)則尋求使結(jié)構(gòu)初始造價等指標(biāo)在使用中達(dá)到優(yōu)化平衡的設(shè)計方案。充分考慮設(shè)計中不確定因素，保證結(jié)構(gòu)安全性。分災(zāi)元件通過不同模式實現(xiàn)抗震防線。（表1）

表1 鋼筋砼結(jié)構(gòu)三水準(zhǔn)抗震設(shè)計損傷性能目標(biāo)

地震是不規(guī)律的往復(fù)作用，結(jié)構(gòu)損傷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的直接原因。首次超越破壞是地震下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超過最大極限發(fā)生破壞，累積損傷是地震荷載下因損傷積累導(dǎo)致破壞。結(jié)構(gòu)在地震下塑性非線性變形成為工程抗震研究的重要方向。Park 對大量混凝土梁疲勞破壞實驗分析，提出彈塑性變形參數(shù)損傷模型?；趽p傷設(shè)計方法考慮結(jié)構(gòu)在大震驗算時低周疲勞累積損傷，理論發(fā)展依賴于混凝土損傷理論研究，現(xiàn)階段研究成果難以應(yīng)用到工程實踐中?；谖灰频目拐鹪O(shè)計是加州大學(xué)教授提出，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段，位移是控制結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)在地震下破壞度與結(jié)構(gòu)變形能力有關(guān)。與結(jié)構(gòu)變形相關(guān)指標(biāo)評價建筑物工作狀態(tài)比較合理?；谖灰频目拐鹪O(shè)計是直接使用預(yù)先確定位移指標(biāo)，目前實現(xiàn)途徑包括直接基于位移法，延性系數(shù)法等。

3、土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計技術(shù)方法

我國是多地震國家，如何減輕地震災(zāi)害造成經(jīng)濟(jì)損失是工程技術(shù)人員關(guān)注的問題。要借鑒國外先進(jìn)抗震設(shè)計思想，嚴(yán)格按照抗震規(guī)范設(shè)計建造工程減輕地震災(zāi)害。建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范是各國建筑抗震經(jīng)驗權(quán)威性總結(jié)，反映各國經(jīng)濟(jì)建設(shè)時代水平，向技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理方向發(fā)展，要將建筑工程安全性放在首位，現(xiàn)代規(guī)范條文列為強(qiáng)制性條文，新建筑抗震設(shè)計規(guī)范頒布實行，在技術(shù)水平等方面有較大提升，但仍存在部分缺乏用語規(guī)范等缺陷。土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計需要把握相關(guān)要素，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范結(jié)合工程實際采取有效的抗震設(shè)計方法。

3.1 土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要素

近年來我國發(fā)生地震頻繁，建筑師日益重視土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，建筑土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要注意保證結(jié)構(gòu)形狀科學(xué)合理，保證設(shè)計豎向均勻性，保證結(jié)構(gòu)規(guī)劃整齊性。土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要避免復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，通過對設(shè)計土木工程結(jié)構(gòu)受力分析進(jìn)行設(shè)計。要考慮利用土木工程結(jié)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)降低對建筑物損害度，提高土木建筑整體抗震性。土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行設(shè)計，要滿足抗震結(jié)構(gòu)形成的連接關(guān)系，如隔板與主體留下銜接空間使結(jié)構(gòu)傳力穩(wěn)定，達(dá)到提高抗震性能的目的。結(jié)構(gòu)受力需要有詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐。

豎向設(shè)計均勻性在結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要，保證豎向結(jié)構(gòu)尺寸合理，確保分隔層間均勻才能得到較好的橫隔層設(shè)計。如洞口開設(shè)不規(guī)則由于外力對結(jié)構(gòu)剛度造成損害。在土木建筑設(shè)計中要保證結(jié)構(gòu)剛度，有效吸收地震帶來的能量。主觀因素對土木建筑設(shè)計質(zhì)量有很大影響，孟美岐國內(nèi)土木建筑設(shè)計人員專業(yè)技術(shù)理論素質(zhì)有待提高，無法對各種不利因素全面分析，不利于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量安全。我國部分地區(qū)處于地震高發(fā)地帶，不合理的建筑設(shè)計威脅人們的生命財產(chǎn)安全。土木建筑工程設(shè)計人員要具備專業(yè)技能，保證設(shè)計安全可靠的建筑工程。

3.2 土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計技術(shù)措施

土木工程結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計要注意合理利用隔震消能原理，科學(xué)選擇建筑材料，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的專業(yè)技能水平。建筑材料選擇在土木建筑設(shè)計中起到基礎(chǔ)作用，建筑材料選擇不當(dāng)會影響土木工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選用建筑材料強(qiáng)度過高會加大成本支出，高強(qiáng)度建材具有更大質(zhì)量影響建筑美觀。鋼材料是土建工程使用普遍材料，在土木建筑工程設(shè)計中要根據(jù)結(jié)構(gòu)要求確定鋼筋性能參數(shù)，在結(jié)構(gòu)鋼筋選型時考慮不同方向受力，分析建筑工程成本等因素選擇適宜的鋼筋材料。

土木建筑工程設(shè)計是建筑物建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，可以滿足建筑外形美感要求。土木工程建設(shè)需要考慮多方面因素，要根據(jù)土木建筑需求收集相關(guān)地震資料，前期工程對后期建設(shè)有很大的影響。要保證建筑物地震防災(zāi)功能提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計遇到不規(guī)則工程應(yīng)采取合理措施，主要承載力部位考慮使用抗震結(jié)構(gòu)提高抗震性能。隔震體系可以減輕地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害，在土木建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中要利用發(fā)生實際案例，隔震體系采用大量橡膠隔震支座，具有較長結(jié)構(gòu)自振周期，可以有效提高地震損害抵抗作用，達(dá)到預(yù)期防震效果。土木建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要專業(yè)人才進(jìn)行分析，土木建筑工程企業(yè)要與高校開展合作型教學(xué)培養(yǎng)，提高土木工程專業(yè)學(xué)生動手實踐能力，通過多樣化培訓(xùn)豐富專業(yè)知識。土木建筑工程企業(yè)要積極引入高素質(zhì)專業(yè)人才，保證土木建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計科學(xué)性。

結(jié)語：

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地震中人員傷亡損失不斷加大。建筑物防震設(shè)計是減輕地震災(zāi)害的游俠歐途徑?？拐鹦阅茉谕聊竟こ探Y(jié)構(gòu)性能中占據(jù)重要地位，抗震性決定土木建筑使用壽命。隨著我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范的實施，新抗震設(shè)計規(guī)范對土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提出更高的要求。土木建筑工程抗震設(shè)計中要遵循合理原則，需要廣大工程技術(shù)人員結(jié)合工程實踐依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，綜合考慮多方面因素合理優(yōu)化設(shè)計，保證土木建筑工程性能安全。設(shè)計者在詳細(xì)設(shè)計中要保持嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，設(shè)計符合施工要求的圖紙，保證建筑工程施工質(zhì)量安全。