建筑工程結構抗震設計及重要性分析

趙志強

（山西省陽泉市建筑設計院有限公司， 山西 陽泉 045000）

地震對建筑結構的破壞力度較大， 且地震后往往伴有不同震級的余震， 從而對建筑結構造成持續(xù)性的危害。 在現(xiàn)階段的建筑工程建設中， 普遍應用的是混凝土結構， 需要在項目初期便由專員開展結構的抗震設計工作， 切實提高結構的抗震性能， 使其有效抵御地震造成的不良影響， 為人們的人身財產安全提供保障。 而建筑工程結構抗震設計是一項系統(tǒng)性的工作，期間涉及到諸多作業(yè)要點， 有必要加強探索， 理清設計思路， 把握設計方法。

1 “結構抗震概念設計” 的含義

建筑結構在地震作用下的破壞機理具有復雜性，難以進行精確的參數(shù)計算。 因此， 工程技術人員高度重視“結構抗震概念設計”， 在持續(xù)性的探索下， 提出具體的設計原則和思路， 兼顧建筑總體結構和細部構造， 以統(tǒng)籌規(guī)劃的方式完成設計工作。 在該理念下， 有利于提高建筑結構的抗震水平， 也給抗震計算創(chuàng)設了良好的條件， 此時的抗震計算結果具有參考價值， 可在一定程度上反映結構在地震時的具體狀況。

2 建筑結構抗震設計的必要性

3 建筑工程結構抗震設計的基本原則及規(guī)定

3.1 建筑建設場地合理性的原則

建筑結構的抗震能力在很大程度上取決于場地條件。 以相同類型、 相同規(guī)模的建筑物為例， 隨著建造場地的變化， 在同一等級的地震作用下所出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象不盡相同。 其中， 斷層通過或斷層交匯的地帶發(fā)生地震后所造成的影響較為嚴重， 因此在建筑抗震設計時應盡可能避免在此類場地開展建筑建設工作。

3.2 地震次生災害可控性的原則

地震引發(fā)的次生災害也需得到有效的控制， 其無疑是建筑工程結構抗震設計中不可忽視的一部分。 在地震區(qū)開展建筑設計、 建設工作時， 應注重建筑間距的合理性， 不宜小于房屋高度的1 ～1.5 倍， 在此前提下， 便于在發(fā)生地震后人員的高效疏散， 也能夠給抗震臨時設施的修筑提供充足的空間。 此外， 還需規(guī)避“房高巷小” 的問題， 否則建筑在地震作用下倒塌， 隨之導致道路阻塞。

3.3 抗震結構方案可行性的原則

在建筑結構體系的設計中， 需要充分考慮到抗震設防類別、 建筑高度、 建筑建設現(xiàn)場的場地條件等，從安全性、 技術可行性、 經(jīng)濟效益性多個方面做對比分析， 確定最為合適的建筑結構體系。 作為一項優(yōu)質的建筑結構體系設計方案， 其需要有簡明的地震作用傳遞路徑， 要求建成的結構體系具備足夠的抗震承載力以及消耗地震能量的功能， 確保在局部構件出現(xiàn)異常后建筑整體仍具備抗震能力。 而針對建筑結構的薄弱部位， 則需加強抗震設計。

3.4 非結構構件妥善處理的原則

建筑非結構構件包含框架填充墻、 樓梯踏步板等， 對于此類結構構件， 在結構分析中不考慮重力荷載及風、 地震等側力荷載對其產生的影響。 但部分結構較為特殊， 例如內墻壁， 若建筑所在地區(qū)發(fā)生地震災害， 此時此類構件也將參與工作（僅僅是參與的程度不同而已）， 結構的剛度、 承載力可能發(fā)生變化，既有可能由于此類構件的參與而取得突出的抗震效果， 又有可能出現(xiàn)嚴重的局部震害， 即出現(xiàn)兩種極端現(xiàn)象。 由此看來， 需要在建筑結構抗震設計中充分關注到此類非結構構件， 妥善設計， 最大限度減輕震害。

3.5 建筑結構抗震設計的一般規(guī)定

1） 對于豎向和平面均不規(guī)則的結構， 其適用的最大高度需適當降低， 若建筑建設在Ⅳ類場地， 也有必要降低最大高度， 以保證建筑結構在地震時的穩(wěn)定性。

2） 鋼筋混凝土建筑的抗震等級需合理， 具體根據(jù)結構類型、 烈度、 房屋高度而定。

3） 抗震等級的確定是建筑工程結構設計中的重點內容。 對于框架-抗震墻結構而言， 若框架可承受的地震傾覆力矩超過結構總地震傾覆力矩的1/2， 則根據(jù)框架結構特點合理設定抗震等級。 在裙房與主樓相連的結構布置方式下， 不應低于主樓的抗震等級。裙房與主樓分離布置時， 按裙房本身確定合適的抗震等級， 使裙房在遇到特定等級的地震災害后仍有足夠的穩(wěn)定性。 地下室頂板兼并作為上部結構的嵌固部位時， 則根據(jù)上部結構的設計情況確定地下一層的抗震等級， 要求兩者保持一致， 地下一層以下的部分可采用三級或更低等級。 建筑抗震設防類別為甲、 乙、丁類時， 著重參考抗震設防標準， 以此來確定適宜的抗震等級。 需注意的是8 度乙類建筑高度超規(guī)定的情況， 此時需要加強技術研究， 較為合適的是采取比一級更有效的抗震措施。

原油組分與CO2的MMP變化與包裹相CO2的表面張力大小相關。在相同溫度、壓力條件下，原油中同族烴類/CO2體系的平衡表面張力隨著碳數(shù)的增加而逐漸增大，增加幅度相近。通過對數(shù)據(jù)點的擬合分析，隨著壓力的升高，表面張力呈線性關系下降(見圖3～圖5)。

4） 若為高層混凝土房屋， 考慮到其在地震作用下的穩(wěn)定性要求， 避免采用規(guī)定的不規(guī)則建筑結構方案。

4 抗震計算

建筑工程結構的抗震設計按流程有序完成， 具體包含地震作用計算和結構抗震變形驗算兩大關鍵環(huán)節(jié)， 具體做如下幾點分析。

4.1 地震作用計算

建筑結構抗震設計中考慮抗側力構件， 要求此類構件在建設成型后可有效抵御各方向的水平地震作用， 且相交角度超15°時， 需確定抗側力構件方向水平地震作用。 根據(jù)結構的質量與剛度分布特點加以分析， 若不具備對稱分布的條件， 則還需充分考慮到雙向水平地震作用下的扭轉影響。 結構抗震計算方法的選取至關重要， 應用較為廣泛的有底部剪力和振型解反應譜， 必要時可在該基礎上輔助應用時程分析法，例如尤為不規(guī)則的高層建筑， 在其結構抗震設計中則需考慮到時程分析法的有效應用。

在采用抗震計算方法時， 視實際情況做靈活的選擇： 高度未超40m、 以剪切變形為主、 質量與剛度沿高度方向均勻分布時， 可以考慮采用底部剪力等簡化方法； 而對于場地內限定范圍的高層建筑， 或是甲類、 烈度不規(guī)則建筑， 此時可以輔助應用到時程分析法， 進行合理的設計。

4.2 結構抗震變形驗算

對于多遇地震的工程條件， 在驗算樓層內最大彈性層間位移時， 需滿足如下要求。

ΔU e≤[Qe]h

此外， 還考慮到罕遇地震下的抗震變形驗算， 若有如下幾種結構， 均有必要安排彈塑性變形驗算： 7～9 度時樓層屈服強度系數(shù)未超過0.5 的框架結構；高度達到150m及以上的鋼結構等。 而對于如下幾種結構， 則有必要安排彈塑性變形驗算： 7 度Ⅲ、 Ⅳ類場地與8 度時乙類建筑的鋼筋混凝土板柱、 抗震墻； 場地內限定高度范圍的高層建筑等。

5 建筑結構抗震設計的具體要點

5.1 水平荷載的設計

在建筑結構的抗震設計中， 水平荷載主要包含風荷載和水平地震作用。 有效控制水平荷載對于提高結構抗震性能而言有重要的意義， 關鍵原因在于： 1）由于重力荷載和水平荷載的共同作用， 將導致建筑同時存在軸力、 剪力、 彎矩， 此類力的作用易破壞建筑結構的穩(wěn)定性， 導致其在地震作用下受損、 倒塌； 2）由于水平荷載的作用， 建筑結構存在彎矩， 也將影響建筑結構的穩(wěn)定性。

5.2 側向位移控制

側向位移控制也是建筑結構抗震設計中的重點內容。 縱觀建筑行業(yè)發(fā)展狀況， 可知建筑具有高層化、 規(guī)?；淖兓厔荩?此時將明顯加大側向位移的控制難度。 若建筑工程結構抗震設計和施工中未有效控制側向位移幅度， 將嚴重威脅到建筑結構的穩(wěn)定性， 嚴重時甚至有墻面開裂、 倒塌等異常狀況， 造成大范圍的不良影響。 可見， 設計人員需密切關注側向位移， 在設計階段便予以有效的控制。

5.3 建筑工程抗震結構設計的具體方法

1） 密切關注建設場地和現(xiàn)場環(huán)境。 在建筑工程結構抗震設計中， 需考慮到地震作用下建筑結構的穩(wěn)定性， 以免由于地震的出現(xiàn)而威脅到人員的人身安全。 其中， 建筑選址尤為關鍵， 需避開不利地段， 若由于條件限制而無法避開， 則需采取針對性的應對措施， 以抵御不良地質條件的影響。 在建筑場地選址中， 需要盡可能地減小地震時的地震力， 以免建筑物在地震波的作用下而發(fā)生異常。

2） 注重對結構設計方案的優(yōu)化。 從既有的設計方案出發(fā)， 做深度的優(yōu)化， 此舉對于提高建筑物的抗震性能而言有重要意義。 在結構設計方案的優(yōu)化中，需要注重的是建筑延性， 即指的是在地震災害下結構有足夠的變形能力， 以便用于消耗地震力， 從而避免建筑出現(xiàn)嚴重受損、 倒塌的異常狀況。 在結構設計中， 還需注重豎向、 水平方向的受力特點， 富有針對性地設計建筑結構， 保證各方向受力的合理性， 使建成的建筑有足夠的抗震性能。

3） 建筑延性系數(shù)設計。 通過建筑約束箍筋的應用， 來提高建筑混凝土結構的工程性能， 確保其能夠有效承受極限壓應變。 在建筑延性設計中， 需要著重圍繞建筑結構延性、 構件延性、 截面延性開展針對性的設計工作。 其中， 結構延性的設計需要重點考慮的是頂點位移延性和層間位移延性， 具體如圖1 所示； 構件延性設計時的重點考慮對象為截面延性、 塑性鉸區(qū)長度等， 盡可能做系統(tǒng)性的設計； 截面延性設計時也涉及到諸多因素， 包含混凝土強度、 縱筋含鋼率、 軸壓比等。 簡言之， 無論何種延性設計， 均要關注到影響延性的具體因素， 做系統(tǒng)性的分析， 予以有效的協(xié)調， 盡可能保證延性設計的可行性。

圖1 延性曲線

4） 加強抗震驗算。 在設防烈度下， 建筑結構應進入彈塑性狀態(tài)。 構件截面抗震驗算所需考慮的關鍵參數(shù)包含非抗震承載力設計值、 承載力抗震調整系數(shù)， 做全面的分析， 較為合適的方法是將地震作用效應值乘以抗震調整系數(shù)。 按照該方法加強抗震驗算后， 可以有效提高建筑抗震設計的可行性， 確保建筑的抗震設計效果能夠達到要求。

5） 聯(lián)合設立多道抗震防線。 為充分發(fā)揮出抗震結構體系的抗震性能， 有必要設多道抗震防線， 共同應用各類具有較好延性的分體系， 集多部分優(yōu)勢于一體， 共同參與到抗震工作中。 其中， 框架-抗震墻體系則較為典型， 其包含抗震墻和延性框架， 通過兩者的共同應用， 可有效增強抗震效果。 結合建筑結構特點， 建立規(guī)律分布的屈服區(qū)， 充分發(fā)揮出建筑結構在吸收地震能量方面的作用， 盡可能減小地震造成的不良影響。 根據(jù)規(guī)律， 若建筑基本周期和地震卓越周期趨近， 則均可以有效發(fā)揮出冗余設計的功能。 同時， 在聯(lián)合應用多道抗震防線后， 能夠增強整個抗震體系的可靠性， 即便某一道的抗震防線受損， 其余的各道防線可及時發(fā)揮出作用， 保證建筑的穩(wěn)定性和完整性， 減輕地震對建筑結構的不良影響。

6） 基于能力譜方法的抗震設計。 基本前提是建立地震反應譜曲線和建筑結構能力譜曲線， 對兩者做疊加處理， 從而評估在地震作用下建筑結構的反應特性。 為此， 首先需要明確的是反應譜和能力譜的具體概念， 前者指的是單自由度體系在特定地震輸入時的加速度譜， 后者指的是等效單自由度體系的加速度和位移的關系曲線。 能力譜法的核心內容在于基于承載力的設計方法加位移、 變形的能力校核。 地震動瞬時能量對結構最大位移反應有著顯著的影響， 甚至起到一定程度上的決定性作用， 但若要構建完善的有效建筑抗震設計框架并非易事， 其還需考慮到方方面面，做深入的探索極具必要性。

7） 加強結構的抗震措施及抗震構造措施。 抗震措施是除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容， 包括抗震構造措施。 抗震構造措施是依據(jù)抗震概念設計原則， 一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采用的各種細部要求。 提高抗震措施著眼于保證薄弱部位的安全， 比如內力調整（強柱弱梁、 強剪弱彎、 強肢弱梁） 都是這種出發(fā)點； 提高抗震構造措施則在不牽涉計算和調整前提下， 對上述薄弱部位人為加大鋼筋用量， 是一種簡單化做法。 提高抗震措施， 則抗震構造措施也提高。 故此加強結構抗震措施及抗震構造措施可以加強結構的整體性， 保證抗震目標的實現(xiàn)， 彌補抗震計算的不足。

8） 妥善協(xié)調剛度和承載力分布， 同時加強對延性的設計。 在建筑結構抗震設計中， 要求結構構件具備突出的力學性能優(yōu)勢， 例如較高的承載能力和剛度， 而分析發(fā)現(xiàn)， 兩者具有相關性， 即隨著建筑結構剛度的增加， 所具備的承載能力隨之增強。 根據(jù)該規(guī)律， 在設計中若增加結構構件的承載力， 則有利于減輕地震對結構構件的屈服程度， 在此關系下， 對構件延性的要求有所降低， 但與之相矛盾的是建筑工程成本有所提高。 因此， 在確保建筑抗震結構具有可靠性的同時， 還需注重成本控制方面的需求， 建立經(jīng)濟高效的抗震結構體系， 確保在地震作用下建筑結構仍具備足夠的抗倒塌能力， 合理的狀態(tài)應當是通過延性耗散地震能量， 減輕地震對建筑結構造成的不良影響，以免出現(xiàn)建筑結構倒塌的異常狀況。 同時， 在建立經(jīng)濟高效的抗震結構體系后， 還可減少建筑的建設成本投入， 保證建筑工程有足夠的經(jīng)濟效益。

6 結語

地震是一類突發(fā)式的自然災害， 地震的發(fā)生易破壞建筑的穩(wěn)定狀態(tài)， 進而由于建筑異常而威脅到人員的人身財產安全。 為此， 在建筑工程中， 設計單位需要高度重視建筑結構抗震設計工作， 加強參數(shù)分析、結構優(yōu)化等， 通過多項措施的有效落實， 切實提高建筑結構的抗震性能， 使其在遇到地震時仍有足夠的穩(wěn)定性， 最大限度減小因地震所造成的不良影響。