建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的作用及措施

李世雷

（太原富力城房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山西太原 030000）

0 引言

為了進一步改善房屋結(jié)構(gòu)抗震性能，本文以某房屋主建筑工程為例，對該工程的建筑框架結(jié)構(gòu)及參數(shù)尺寸進行調(diào)整。該調(diào)整方案以剛度比、建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)作為優(yōu)化工具，通過參數(shù)數(shù)值計算，加強縱向抗震性能，綜合各項因素，確定參數(shù)控制方案[1]。統(tǒng)計結(jié)果表明，本文提出的增加混凝土墻體厚度、混凝土翼墻厚度兩種方案，剛度比均在1.3 左右，符合抗震優(yōu)化設(shè)計要求，對此類型房屋建筑抗震性能優(yōu)化設(shè)計研究具有一定的幫助。

1 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計的基本要求

地震是目前受關(guān)注度較高的自然災(zāi)害。因建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計要求必須反映現(xiàn)實性、經(jīng)濟性和安全性，并且在建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計時，必須滿足相關(guān)基本要求?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）給出了建筑物抗震性的“三水準、兩階段”的要求，“三水準”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”[2]。當發(fā)生第一設(shè)防烈度地震也就是低于本地區(qū)地震設(shè)防烈度的多遇地震時，其結(jié)構(gòu)在彈性變形階段，建筑物通?？梢哉Ｊ褂?，建筑物大多不受損壞或不需維修就可以繼續(xù)使用。因此，在多遇地震中建筑物的極限承載力應(yīng)當滿足驗算條件，并且建筑物的彈性變形不得超過規(guī)定的彈性變形極限。根據(jù)地震強度，發(fā)生第二設(shè)防烈度地震時就是相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本設(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)為屈服狀態(tài)，進入非彈性變形階段，可能形成局部損壞。但是，可以在經(jīng)過一般檢查和維修后繼續(xù)使用。

2 建筑工程設(shè)計的總體要求

在進行建筑工程設(shè)計的過程中，首先確定項目的施工場地，對于中小型的工程，應(yīng)該首先明確其抗震的設(shè)防烈度，如果符合要求，則進一步進行抗震設(shè)計，對于重要的建設(shè)項目而言，需要通過地震部門進行烈度鑒定，根據(jù)建筑的重要性差異進行等級劃分，不同的建筑應(yīng)用差異性的抗震措施，以確保實際的抗震性能效果，在明確建筑的平面形狀、結(jié)構(gòu)體系以及材料的基礎(chǔ)上，做好一系列的分析計算，確定抗震設(shè)計的可行措施，同時也需要對建筑的結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及細節(jié)構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計。

在地震的作用下，建筑受到破壞會產(chǎn)生嚴重的破壞力，深入分析研究抗震理論可知，在工程設(shè)計的過程中，充分利用客觀規(guī)律，能夠強化建筑的抗震效果。一般地震發(fā)生時，破壞力以及抵抗力之間會產(chǎn)生相互抵消作用，一旦發(fā)生地震，就會引發(fā)地面運動，從而產(chǎn)生場地的土地變形、坍塌以及液化，建筑作用力會衍生出次生災(zāi)害，作為承受地震作用的另一方建筑，其選址的位置、布局、構(gòu)造以及結(jié)構(gòu)類型、動力特征等各種因素也會對最終的抗震效果產(chǎn)生影響，因而在進行選址時，需要把握好各項影響因素，在綜合統(tǒng)籌的基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計[3]。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計

3.1 抗震設(shè)計的重要性

近年來，我國城市地震發(fā)生較為頻繁，造成了嚴重的經(jīng)濟損失，并且對人們的人身安全造成了威脅。從房屋建筑結(jié)構(gòu)角度來看，當前大部分房屋建筑設(shè)計缺少抗震性能的優(yōu)化，以建筑建設(shè)基本要求為主，因抗震建筑建設(shè)技術(shù)落后，剛度控制不佳，導(dǎo)致地震災(zāi)害對人們的生活造成較大影響。隨著城市化的快速發(fā)展，城市人口密集度將持續(xù)增加，樓房建筑占據(jù)比例越來越高。為了打造便利的生活條件，很多樓房建筑以“底商+住房”結(jié)構(gòu)為主，在底層設(shè)置了底商，以便人們購買生活必備品。所以，如何加強建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，減少地震帶來的危害，成為當前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中亟待解決的重要問題[4]。

3.2 抗震設(shè)計基本原則

3.2.1 簡化性

簡化房屋建筑結(jié)構(gòu)，對提升建筑抗震性能幫助較大。因此，在將抗震設(shè)計融入到房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中時，應(yīng)盡可能簡化建筑結(jié)構(gòu)，避免過于復(fù)雜的設(shè)計。對于本文研究的底商型房屋建筑，需要預(yù)留足夠的活動空間，從設(shè)計技術(shù)和性能提升兩個角度出發(fā)，改善建筑抗震性能。

3.2.2 抵抗性

建筑抵抗性是保證抗震性能的關(guān)鍵，要求合理控制建筑結(jié)構(gòu)中各個部位的剛度，使其達到標準要求，結(jié)合力學(xué)分析，檢驗建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當建筑遭遇地震時，加強房屋結(jié)構(gòu)受力平衡，以此抵御地震帶來的破壞。

3.2.3 整體性

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求設(shè)計全面，將建筑整體作為設(shè)計對象，僅提升某一部位的抗震性能無法達到預(yù)期效果。所以，要求科學(xué)且全面地分析各項影響因素，根據(jù)建筑所處地區(qū)實際情況，針對存在的震害提出抗震優(yōu)化策略。

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

4.1 設(shè)計前期的震害調(diào)查

據(jù)調(diào)查，我國城市大部分房屋建筑以3 層砌體結(jié)構(gòu)為主，為了創(chuàng)造生活便利條件，在1 層設(shè)置了底商或者車庫。這兩種建筑中，縱向一側(cè)無墻體頗多，選取混凝土作為墻體施工材料，打造梁柱結(jié)構(gòu)。然而，此結(jié)構(gòu)中柱截面偏小，與其項對應(yīng)的墻面為磚砌體墻。除了第1 層以外，從第2 層開始向上數(shù)的其他樓層均采用常規(guī)砌體施工。從建筑結(jié)構(gòu)布局角度來分析，此類型房屋建筑的上層建筑與下層建筑墻體不對齊，沿著豎向方向墻體存在不連續(xù)特點[5]。

當?shù)卣鸢l(fā)生時，部分房屋雖然未倒塌，但是大部分房屋都出現(xiàn)了不同程度的損壞，導(dǎo)致居民無法正常在房屋中活動。例如，某商住房屋建筑，在遭受地震后，1層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞最為嚴重。該建筑1 樓的梁柱結(jié)構(gòu)利用混凝土打造，呈現(xiàn)“L”型，建筑的背面布設(shè)了砌體墻，其他樓層為常規(guī)建設(shè)。從結(jié)構(gòu)分布來看，一層建筑較其他樓層建筑結(jié)構(gòu)更為薄弱，穩(wěn)定性較差，容易在地震時發(fā)生垮塌。

4.2 設(shè)計方案

對于首層是底商或者車庫的房屋建筑，往往通過加強橫墻承重來提高建筑穩(wěn)定性，忽略了縱向抗側(cè)力構(gòu)件有效處理，導(dǎo)致建筑整體抗震性能薄弱。為了解決此問題，本文將此類型建筑看作多層砌體房屋，盡可能簡化房屋建筑結(jié)構(gòu)，從技術(shù)層面和剛度控制層面出發(fā)，提出可行性較高的抗震性能提升策略。

4.2.1 基于技術(shù)層面的設(shè)計

考慮到房屋建筑的縱向抗震性能薄弱，提出縱向抗震結(jié)構(gòu)處理技術(shù)方案：①無論是底商還是車庫，位于一層的建筑通行門軸線的處理非常重要，以抗震墻砌體設(shè)計要求，合理布設(shè)1 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在縱向增加抗震墻數(shù)量，確保上墻體框架與下墻體框架能夠?qū)R，檢查梁柱對齊情況，嚴格按照建筑設(shè)計規(guī)范，有效控制建筑二層側(cè)向剛度與沿著軸線處的一層框架結(jié)構(gòu)剛度比值。②采用均勻布設(shè)方法，調(diào)整1 層建筑的軸線混凝土抗震墻，從原有的不均勻分布調(diào)整為均勻分布，要求以軸線為參照對象，兩側(cè)對稱布置。如果1層建筑為單開門建筑，則以側(cè)向剛度作為調(diào)整對象，重新布設(shè)1 層側(cè)向剛度體系，從而避免地震期間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。③以外縱墻底層混凝土構(gòu)件作為優(yōu)化對象，其與橫向墻體建立連接，打造整體穩(wěn)定性較強的建筑結(jié)構(gòu)。其中，抗震墻體和梁柱框架為重點優(yōu)化對象。

4.2.2 基于剛度控制層面的設(shè)計

為了提升建筑墻的抗震性能，提升軸線豎向剛度顯得尤為重要，要求嚴格按照建筑抗震性能設(shè)計規(guī)范，加強豎向剛度比設(shè)置，以位于底層框架中的抗震墻作為主要設(shè)計對象。依據(jù)震害調(diào)查結(jié)果可知，底部框架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用復(fù)合材料打造混合結(jié)構(gòu)，不利于建筑抗震性能的提升。為了優(yōu)化此部分設(shè)計，本研究利用以下剛度比計算公式對建筑抗震墻的剛度比進行計算分析。

式中：K1——房屋建筑底層剛度；K2——房屋建筑2 層剛度；∑Kω——混凝土抗震墻側(cè)向剛度；∑Kf——位于底層的框架側(cè)向剛度；∑Kbω——位于底層的抗震墻側(cè)向剛度。

5 工程案例

5.1 工程概況

本文以某房屋建筑工程為例，根據(jù)抗震需求，設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防等級為丙類。該房屋為7 層建筑，建筑體系采用砌體結(jié)構(gòu)布設(shè)。其中，1 層作為車庫，2 層以上作為辦公場所，采用混凝土現(xiàn)澆筑方法建設(shè)。該工程總建筑面積約為365m2，縱向長度大約為19.25m，橫向建筑長大約5.50m。由于工程建筑的縱向南側(cè)無墻體，很難滿足抗震性能需求。為了達到標準，本研究提出了兩種抗震優(yōu)化設(shè)計方案。

5.2 房屋建筑抗震設(shè)計方案

5.2.1 平面設(shè)計

1 層建筑高度3.3m，其他樓層建筑高度均為3.0m，內(nèi)墻、外墻厚度分別為240、360mm，截住面尺寸大小為480mm×360mm。除了樓梯以外，一樓布設(shè)了5 個車庫。圖1 為建筑1 層平面設(shè)計。

圖1 建筑一層平面設(shè)計（單位:mm）

2—7 層建筑平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計相同，均采用普通磚砌體墻布設(shè)，縱向框架結(jié)構(gòu)對齊，外側(cè)增加陽臺部分，除了建筑高度不同，其余參數(shù)尺寸與1 層平面設(shè)計中的參數(shù)數(shù)據(jù)相同。

5.2.2 加固設(shè)計

為了加強建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，本文提出兩種加固設(shè)計方案，如圖2 所示。

方案一：在建筑兩端開間位置采取增加墻體厚度的方式改善抗震性能。其中，混凝土墻體厚度調(diào)整為500mm，即在原來基礎(chǔ)上增加了250mm。與此同時，在墻體上開洞，為庫房使用提供便利條件。該方案的缺點在于車庫數(shù)量減少了兩個，但是車庫使用舒適性明顯提升，入門空間得以擴大。

圖2 加固方案（單位:mm）

方案二：與加固方案1 不同的是，在原有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加混凝土翼墻厚度，寬度大約300mm。該加固方案雖然可以保證車庫數(shù)量不減，但是入門空間變得狹小，降低了使用舒適度。

5.2.3 抗震性能測試分析

上文提到的兩種加固方案各具優(yōu)勢，對于其剛度比是否可以達到優(yōu)化標準，需要進一步計算分析，如果剛度比在1.0～1.5，則認為此剛度比達到標準。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，兩種加固方案的剛度比均在1.3 左右，符合1.0～1.5 標準。因此，可以根據(jù)建筑使用需求，從中選擇一種加固方案。

6 結(jié)語

房屋建筑抗震性能的提升是為人們提供安全活動場所的關(guān)鍵。只有改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，才能夠減少地震災(zāi)害造成的損失，為人們的人身安全提供保障。本文以砌體房屋建筑為例，探究此類型建筑抗震性能提升策略。通過調(diào)查震害實際情況，提出抗震建筑結(jié)構(gòu)加固方案。計算結(jié)果表明，兩種加固方法均滿足抗震性能要求。決策中，可以根據(jù)建筑使用需求，確定最佳抗震設(shè)計方案。