建筑結(jié)構(gòu)設計中的抗震結(jié)構(gòu)設計要點探析

文／黃拓軍 安徽筑遠規(guī)劃建筑設計有限公司 安徽合肥 230000

引言：

抗震性能是評價建筑工程安全性中所使用的重要指標，因此，在進行建筑結(jié)構(gòu)設計的過程中，需要加大對抗震結(jié)構(gòu)設計的關注度，著力針對建筑物結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)實施加強處理，推動建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震性能提升，體現(xiàn)出對由地震災害引起損失的有效控制與降低。

1、建筑結(jié)構(gòu)設計中抗震結(jié)構(gòu)設計的主要原則分析

第一，簡化原則。建筑結(jié)構(gòu)設計的簡單程度能夠?qū)Y(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生較大影響，通常來說，在建筑結(jié)構(gòu)相對簡單的條件下，受到這種結(jié)構(gòu)形式在力傳導方面優(yōu)勢性的影響，表現(xiàn)出的抗震性能也維持在較為理想的水平[1]。實踐中，需要切實參考建筑物現(xiàn)實情況，對抗震結(jié)構(gòu)模型實施簡化處理，促使結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳力途徑進一步優(yōu)化，從而達到推動建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能增強的效果。

第二，整體性原則?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設計所面向的是整個建筑物，而并非為建筑物內(nèi)的某一部分。所以，在實際的抗震結(jié)構(gòu)設計期間，即便相關設計人員針對其中某一重點部位進行優(yōu)化設計，也要在此過程中落實對局部構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)之間關系性的考量，具體來說，就是要切實考慮局部構(gòu)件優(yōu)化處理后會引發(fā)的建筑物整體結(jié)構(gòu)變化情況，避免集中應力問題的發(fā)生，促使整個建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及抗震能力有所提高。

第三，規(guī)則性原則。設計建筑物抗震結(jié)構(gòu)時，需要盡可能保證沿豎向均勻布置建筑造型與結(jié)構(gòu)，規(guī)避承載能力、剛度、傳力路徑等突然發(fā)生變化的現(xiàn)象出現(xiàn)；盡可能保證平面內(nèi)不同結(jié)構(gòu)實現(xiàn)均勻布局，規(guī)避結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量之間“偏心”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2、建筑結(jié)構(gòu)設計中抗震設計的主要內(nèi)容分析

在進行建筑結(jié)構(gòu)設計的過程中，優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)設計是保證整個建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能達到理想水平的重要舉措，在延長建筑物使用年限、提升建筑物使用安全方面發(fā)揮著重要作用。通常來說，在實施建筑結(jié)構(gòu)設計中抗震結(jié)構(gòu)設計工作中，需要著重把握的要點內(nèi)容包括考量構(gòu)件的性能要求、重點部位的抗震設計以及科學的應用抗震裝置，具體如下所示：

2．1 考量構(gòu)件的性能要求

對于不同構(gòu)件的剛度、穩(wěn)定性以及承載能力要求落實全面性、綜合性考量，并確保在實際的建筑抗震結(jié)構(gòu)設計中能夠?qū)ι鲜鲆筮M行切實滿足，保證所有構(gòu)件均能夠達到預設的抗震標準要求與等級要求。例如，在針對框架剪力墻結(jié)構(gòu)展開設計的過程中，由于剪力墻是建筑物抗側(cè)力的主要構(gòu)件，所以在實際設計中要重點維護其穩(wěn)定性與可靠性，確?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)具備良好的抗側(cè)能力以及承載能力。

2．2 重點部位的抗震設計

想要更好提升建筑物結(jié)構(gòu)整體的抗震能力，就需要在實際的設計過程中強化落實對重點部位的抗震設計，依托局部強化推動結(jié)構(gòu)整體抗震性能的增大。在此期間，要求相關設計人員結(jié)合分層優(yōu)化設計的方式，針對建筑物各個樓層落實細化分析，明確不同樓層的實際受力情況、重點構(gòu)件之間存在者的強弱關系，并以此為基礎落實對所有重點構(gòu)件的深化設計與處理，最終達到助推整個建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能提高的效果。需要注意的是，在展開建筑物結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化處理期間，要重視對局部構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)之間關系性的考量，換言之，就是要切實考量局部構(gòu)件優(yōu)化處理后會引發(fā)的建筑物整體結(jié)構(gòu)變化情況，保證建筑物整體結(jié)構(gòu)性能向著更優(yōu)質(zhì)、更為理想的方面發(fā)展。

2．3 科學的應用抗震裝置

現(xiàn)階段，抗震裝置隨著科學技術(shù)水平的發(fā)展而不斷出現(xiàn)，并逐步得到廣泛利用。依托抗震裝置在建筑物結(jié)構(gòu)中的加設，能夠達到整體增強建筑物結(jié)構(gòu)抗震性能的效果。因此，在進行建筑物抗震結(jié)構(gòu)設計期間，可以結(jié)合建筑物防震現(xiàn)實要求，合理選用、投放抗震裝置。

例如，抗震阻尼器是目前在建筑工程中較為常用的一種抗震裝置，主要用于抗震設防烈度較高的建筑結(jié)構(gòu)設計中。實際使用過程中，主要通過在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝阻尼器來耗散地震能量，從而達到減震的效果[2]。相比于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系而言，抗震阻尼器一改以往的“被動抗震”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃涌拐稹?，即主動在結(jié)構(gòu)中加入耗能裝置來控制結(jié)構(gòu)的地震反應，所以安全性與經(jīng)濟性更為理想、適用范圍更廣，且不會對建筑上部結(jié)構(gòu)布局造成較大影響，更加適合當前建筑技術(shù)的發(fā)展。

3、建筑結(jié)構(gòu)設計中抗震設計的實例分析

3．1 項目概述

某抗震設防烈度為8 度的商業(yè)住宅綜合樓，地下一層為非人防地下車庫，地上一至五層為商業(yè)，六層及以上部分均為住宅。項目總占地面積為28391．1m2；本項目中共完成2 棟主體建筑物的設計與建設，總建筑面積約為38787．8m2，結(jié)構(gòu)形式均為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，下面以1號樓為例分析結(jié)構(gòu)設計中的抗震設計。本項目中主要建筑的特征如表1所示，本項目中一層結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

表1 主要建筑的特征

圖1 一層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3．2 建筑抗震設計規(guī)范

本工程結(jié)構(gòu)設計過程中，著重圍繞《抗震設防分類標準》（GB50223-2008）、《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）中的相關要求與規(guī)定完成建筑抗震設計。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）及地勘報告，本工程基本設防烈度為8 度，設計基本地震加速度值為0．20g，所在場地設計地震分組為第二組；場地類別為II 類，場地特征周期為0．4s；多遇水平地震影響系數(shù)最大值為0．16。本工程建筑功能為商業(yè)和住宅，其中商業(yè)部分面積約4000m2，根據(jù)《抗震設防分類標準》（GB50223-2008），本工程的抗震設防類別為丙類。本工程為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物總高為95．5m，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3．9．3條及表3．9．3 可以查出，本工程框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架抗震等級為一級、剪力墻抗震等級為一級；結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板，剪力墻加強部位為基礎頂至三層頂標高。

3．3 建筑結(jié)構(gòu)抗震設計要點

（1）建筑結(jié)構(gòu)材料的選擇

建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置的不同，構(gòu)件承受的荷載及內(nèi)力也大不相同，因此混凝土材料選擇也存在著明顯的差異性。經(jīng)過反復試算確定不同部位構(gòu)件的混凝土強度等級如下：筏板基礎混凝土強度等級采用的C35；框架柱、剪力墻的混凝土強度等級：負一層至五層為C50，五層至十三層頂為C45，十三層至十七頂為C40，十七層至二十層為C35，二十層以上為C30；梁、板混凝土強度等級均為C30。

二次結(jié)構(gòu)中的圈梁、構(gòu)造柱等部分，混凝強度等級均采用C25。

本項目中所有鋼筋均采用HRB400 級鋼筋，鋼筋的強度標準值應具有不小于95%的保證率；抗震等級為一、二、三級的框架和斜撐構(gòu)件(含梯段)，其縱向受力鋼筋應采用抗震鋼筋(帶“E”鋼筋)。

（2）抗震結(jié)構(gòu)布置

本工程設防烈度較高，建筑物高度接近100m,因此抗震計算需要的抗側(cè)力構(gòu)件也相對較多，采取框架與剪力墻 (單片墻、聯(lián)肢墻或較小井筒)分開布置。建筑物底部5 層是商業(yè)，內(nèi)部需要較大的空間，布置剪力墻受到建筑功能的限制，豎向構(gòu)件盡量采用截面長度較小的框架柱；6 層及以上是統(tǒng)一戶型的住宅，建筑功能對結(jié)構(gòu)布置的限制較小，豎向構(gòu)件盡量采取截面厚度較小的剪力墻。為兼顧建筑使用功能上、下不同的需求，本工程結(jié)構(gòu)形式選用框架剪力墻結(jié)構(gòu),其中剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件。北面樓、電梯井附近建筑墻體較多，將剪力墻布置成一個相對圍合的剪力墻筒；山墻長度較大，且開洞少，Y 方向可以布置較長的剪力墻，X 方向布置較短的翼墻。由于北面剪力墻筒剛度較大，南側(cè)需要減小剪力墻間距，增加剪力墻長，以達到抗側(cè)力構(gòu)件均勻布置的目的。建筑物底部五層的內(nèi)部需要較大開間的位置，布置成抗壓承載力較大的框架柱。本工程中標準層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖

由于抗震設防烈度高且房屋總高度較大，結(jié)構(gòu)整體計算時，多遇地震作用標準值產(chǎn)生的樓層最大彈性層間位移達到1/720，不能滿足規(guī)范1/800 的要求。因此在結(jié)構(gòu)方案設計時，布置了一個減震設計的方案進行比對：Y 方向各層在1、2、9、10 軸設置四個粘滯阻尼器，X 方向各層在A、B 軸設置三個粘滯阻尼器。經(jīng)計算，通過增加阻尼器，結(jié)構(gòu)的附加阻尼比可以達到4．5%，即結(jié)構(gòu)總的阻尼比達到9．5%，有效減小了水平地震作用，此方案下的樓層最大彈性層間位移為1/855,滿足規(guī)范的限值要求。標準層阻尼器平面布置圖如圖3所示。

圖3 標準層阻尼器平面布置圖

（3）地震作用計算

根據(jù)規(guī)范要求，本工程不進行豎向地震作用計算，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第四章采用陣型分解反應譜方法計算水平地震作用。本工程抗震設計時，多遇地震作用下水平地震影響系數(shù)最大值取0．16，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0．05，結(jié)構(gòu)的計算自振周期折減系數(shù)取0．75。

（4）抗震措施

第一，設置防震縫。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB5 0011-2010）6．1．4 條，防震縫可以結(jié)合沉降縫要求貫通到地基，當無沉降問題時也可以從基礎或地下室以上貫通。本項目1、2 號樓房屋總高度相差12m，建筑物相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間存在較大重力與剛度差異、樓板之間存在著較大的錯層，因此在兩個單體之間設置抗震縫。依托防震縫，能夠?qū)⒄麄€建筑物結(jié)構(gòu)細化為2 個個體單元，并確保這些個體單元之間所具備的剛度、重量均維持在一致水平，避免在發(fā)生地震的條件下相應建筑物產(chǎn)生更加嚴重的破壞。按6．1．4 條規(guī)定，本項目1、2 號樓之間抗震縫寬度取350mm。

第二，內(nèi)力調(diào)整。本工程的剪力墻、框架柱、框架梁內(nèi)力計算時，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6．2節(jié)、7．2 節(jié)、8．2 節(jié)進行內(nèi)力調(diào)整，其中剪力墻抗震等級為一級，框架柱、框架梁抗震等級均為一級。

第三，抗震構(gòu)造措施。在進行剪力墻、框架柱、框架梁的截面時，所有構(gòu)件按高規(guī)第6．3、6．4、7．2、8．2 節(jié)滿足構(gòu)造要求。本工程剪力墻抗震等級為一級，底部加強區(qū)范圍內(nèi)剪力墻厚度除了滿足計算要求外，尚不應小于層高的1/20 和200mm。由于一、二層層高為5400，加強剪力墻厚度取300mm。加強區(qū)以上剪力墻厚度根據(jù)計算結(jié)果逐漸減薄。本工程框架柱抗震等級均為一級，中柱、邊柱縱向受力鋼筋最小配筋百分率為0．95，角柱縱向受力鋼筋最小配筋百分率為1．15；柱端加密區(qū)箍筋最小直徑為10mm。本工程框架梁的抗震等級為一級，縱向受力鋼筋最小配筋百分率跨中取0．30，支座取0．40，框架梁端加密區(qū)箍筋最小直徑為10mm。

第四，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件加強措施。本工程中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要是建筑物的填充墻。設計時根據(jù)建筑填充墻平、立面布置，對填充墻采取灰縫內(nèi)設置通長拉結(jié)筋、墻內(nèi)設置構(gòu)造柱和圈梁的加強措施，促使墻體、構(gòu)造柱以及圈梁保持緊密結(jié)合的狀態(tài)，以此在建筑物內(nèi)構(gòu)建起穩(wěn)定性相對較強的空間骨架，促使建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及強度增大，提高建筑物墻體的應變能力。依托這樣的設計，能夠在發(fā)生地震的條件下，保證建筑物墻體的“裂而不倒”。要求依照“砌墻-逐段柱身”的順序組織建筑物結(jié)構(gòu)施工，并使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，保證構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)的牢固程度達到預期。在進行構(gòu)造柱、圈梁的設計過程中，還要著重把握構(gòu)造柱、圈梁的最小截面及配筋。另外，對位于樓梯間及人流通道兩側(cè)的填充墻，應采用鋼絲網(wǎng)砂漿面層,鍍鋅鋼絲網(wǎng)眼目規(guī)格不大于20×20，鋼絲直徑不小于1．0，固定鋼釘間距不大于300，鋼絲網(wǎng)片應與主體結(jié)構(gòu)可靠連接。

（5）細節(jié)設計

由于本項目抗震設防烈度較高，房屋總高接近規(guī)范限值，在水平地震作用下建筑物的水平位移較大，除了上述內(nèi)容外，在進行本項目建筑物防震結(jié)構(gòu)設計過程中還重點落實了細節(jié)性設計與處理，具體如下：第一，為避免砌體填充墻對框架結(jié)構(gòu)造成較大影響，對所有填充墻采取特殊處理，如所有填充墻在主體結(jié)構(gòu)施工完畢、梁變形基本穩(wěn)定后砌筑，填充墻的構(gòu)造柱頂預留20mm 厚用柔性材料填充，以此確保減少填充墻對主體結(jié)構(gòu)剛度的影響。第二，在設計中充分落實對高層建筑所具備特殊性功能的考量，針對樓梯結(jié)構(gòu)落實了強化設計，確保能夠更好應對使用中建筑物內(nèi)人口密度較大、人員流動量偏高的現(xiàn)象。實踐中，樓梯主要在建筑物內(nèi)部的中央位置設置，并在特殊區(qū)域?qū)ΡM端開間引入專項強化處理；對于樓梯間附近沒有剪力墻時，各樓梯梯板下端按滑動支座設計、施工。第三，針對附著于建筑物外墻、屋面結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件著重落實深化設計，保證這些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以始終與建筑物主體結(jié)構(gòu)之間保持可靠性連接或錨固狀態(tài)，防止在發(fā)生地震條件下發(fā)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件倒塌、墜落傷人或砸壞設備等問題的出現(xiàn)。本工程屋面造型中的女兒墻高達4200mm，設計時將頂層框架柱、部分剪力墻往上延伸到女兒墻頂部，確保女兒墻的安全性。

結(jié)語：

綜上所述，抗震結(jié)構(gòu)設計是建筑結(jié)構(gòu)設計中的重點內(nèi)容，在延長建筑物使用年限、提升建筑物使用安全方面發(fā)揮著重要作用。在實施建筑結(jié)構(gòu)設計中抗震結(jié)構(gòu)設計工作中，需要著重把握簡化原則、整體性原則、規(guī)則性原則的基礎上，充分考量構(gòu)件的性能要求、重點部位的抗震設計、科學的應用抗震裝置，并結(jié)合建筑物性質(zhì)落實細節(jié)性處理與設計，提升抗震結(jié)構(gòu)設計的合理性與實效性，推動建筑物整體結(jié)構(gòu)抗震性能的提升。