抗震概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

張躍躍

（晉城合為規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

地震屬于自然災(zāi)害中的一種，事故的出現(xiàn)具有較大的不確定性，一旦突然爆發(fā)地震災(zāi)害，建筑使用功能也會隨之受到極大的影響，嚴(yán)重者甚至還會導(dǎo)致建筑物倒塌，構(gòu)成嚴(yán)重的社會安全事件，影響社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了避免此類現(xiàn)象發(fā)生，全面做好建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的工作十分有必要。但結(jié)合當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)況來看，其抗震設(shè)計成效并不理想，導(dǎo)致建筑的抗震效果不足，一旦面對突發(fā)性地震災(zāi)害，增加建筑損失的同時，還會對國民的生命財產(chǎn)安全造成影響。鑒于此，本次研究工作的意義重大。

1 抗震概念設(shè)計分析

建筑工程設(shè)計實(shí)踐期間，作為設(shè)計工程師，想要提升建筑設(shè)計質(zhì)量，就必須親自結(jié)合工程的實(shí)際需求去了解并掌握項(xiàng)目的設(shè)計方向和設(shè)計需求[1]。此過程中，需要開辟不同渠道，去搜集和整理建筑相關(guān)材料，并結(jié)合整理結(jié)果進(jìn)行客觀分析，才能從中摘錄出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重點(diǎn)，并就設(shè)計方案進(jìn)行分解處理，確保每一施工環(huán)節(jié)的設(shè)計方案更具細(xì)節(jié)化，以此確保設(shè)計方案與施工方案之間的匹配度。應(yīng)用概念設(shè)計方式進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時，要求設(shè)計師綜合考量地震來臨時的各種狀況，隨后開展相應(yīng)的地震模擬試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果，去搜索更具參考性和實(shí)用性的建筑設(shè)計可用數(shù)據(jù)，經(jīng)過對各類數(shù)據(jù)信息做嚴(yán)格計算和處理后，就可得出建筑設(shè)計中抗震性能更強(qiáng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2 建筑抗震概念設(shè)計的原則探討

2.1 整體性原則

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時必須嚴(yán)格遵守建筑的整體性設(shè)計原則，以此提升建筑結(jié)構(gòu)的冗余度[2]。此外，在設(shè)計工作中，絕不可僅是將目光集中在眼前，而是應(yīng)該在建筑中設(shè)計多道抗震防線，避免出現(xiàn)“過分關(guān)注抗震設(shè)計而忽視其他施工設(shè)計原則”的情況，最終為建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)化提供設(shè)計支持。

2.2 合理性原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性能提升，應(yīng)該嚴(yán)格遵守“合理性”設(shè)計原則，并圍繞此站在建筑物的整體布局層面做好設(shè)計考量，實(shí)現(xiàn)建筑布局與建筑結(jié)構(gòu)雙向設(shè)計重點(diǎn)的合理性，最終為建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)拉力以及穩(wěn)定性提升起到促進(jìn)作用。

2.3 豎向規(guī)則性

經(jīng)過相關(guān)調(diào)查研究顯示，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，建筑結(jié)構(gòu)所需要承受的外力相對更大，一旦超出建筑物承受極限，建筑物就會出現(xiàn)不同程度地變形問題。此類問題的形成，很大程度上源自于建筑當(dāng)初設(shè)計時并未遵守豎向規(guī)則的原則，致使建筑出現(xiàn)應(yīng)力變化不規(guī)律的情況[3]。同時，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏豎向規(guī)則性的支持，建筑強(qiáng)度也會因此降低，且剛性標(biāo)準(zhǔn)會低于建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)，輕則建筑出現(xiàn)輕度扭曲變形情況，重則直接造成建筑物危險系數(shù)升高。由此可見，抗震概念設(shè)計中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須遵守豎向規(guī)則性原則完成設(shè)計工作。

3 建筑抗震概念設(shè)計的應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)方案選擇

建筑抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個建筑活動中的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)，同時結(jié)構(gòu)方案的合理性也是直接影響建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量及合理性的重要因素[4]。為此，工程設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案選擇時，應(yīng)該重點(diǎn)做好如下工作內(nèi)容。

（1）做好設(shè)計前期的準(zhǔn)備工作，并調(diào)派相關(guān)人員進(jìn)入施工現(xiàn)場進(jìn)行地質(zhì)、地形以及氣候等條件的勘察工作，以此為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支持，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

（2）由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對于建筑綜合質(zhì)量具有重要影響，因此在進(jìn)行外部施工因素的把控時，必須投入必要的管理精力，并就各項(xiàng)因素做好精準(zhǔn)性辨別工作，促使其為結(jié)構(gòu)設(shè)計的精準(zhǔn)性提升起到一定的助推效用[5]。

（3）地震區(qū)的建筑平面應(yīng)該優(yōu)先選擇方形、圓形或是矩形，次一級可以選擇正六邊或正八邊、扇形等[6]。與上述建筑結(jié)構(gòu)形狀相比，U 形、十字形或是三角形等結(jié)構(gòu)，對于建筑的抗震結(jié)構(gòu)性能提升價值有限，因此，在進(jìn)行抗震概念設(shè)計的過程中應(yīng)該盡量規(guī)避。

（4）抗震概念設(shè)計中，設(shè)計人員需要重點(diǎn)結(jié)合建筑設(shè)計需求，去選擇配套的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，才能以此確保建筑設(shè)計成果滿足建筑抗震需求。整體來講，進(jìn)行建筑抗震設(shè)計方案的選擇時，一定要綜合多方面因素進(jìn)行抗震設(shè)計分析，并為后續(xù)的建筑使用安全提供支持。

3.2 隔振設(shè)計

隔振設(shè)計時需要在建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)兩個部位中間設(shè)計隔振層，促使兩者在建筑整體結(jié)構(gòu)上呈隔離狀態(tài)，一旦發(fā)生地震，可以有效阻隔地震能量的傳播，以此促進(jìn)建筑的抗震能力提升，并將地震能量對于建筑主體結(jié)構(gòu)的傷害能量降至最低[7]。另外，在建筑隔振設(shè)計時，需要重點(diǎn)做好隔振裝置的設(shè)計，要求其必須具備較強(qiáng)的豎向承載能力以及強(qiáng)度性能，提升其初始剛度，并以此控制地震作用力對于建筑水平位移的不良影響。地震發(fā)生時，隔振裝置應(yīng)用后，可以通過自行調(diào)節(jié)的方式，逐步與場地震動周期特征趨于一致，以此將地震能量消耗或吸收，最終降低地震帶來的損害。

3.3 平面設(shè)計

應(yīng)該注重參考建筑結(jié)構(gòu)的整體部署現(xiàn)狀，以此強(qiáng)化對于結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)度的把控工作，并預(yù)防其出現(xiàn)薄弱連接類問題，借以提升建筑抗震平面設(shè)計效果。因此設(shè)計之時，可以將結(jié)構(gòu)抗震縫布設(shè)在建筑的局部位置，促使建筑的結(jié)構(gòu)能夠隨之得到細(xì)化，由原本一整個抗震主體轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€抗震單元[8]。與此同時，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的具體平面結(jié)構(gòu)調(diào)查數(shù)據(jù)可了解到，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的施工層數(shù)越高，其所需要承擔(dān)的風(fēng)壓也會隨之加大，因此在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計時，應(yīng)該盡量選擇“流線型”，且對“流線型”檢測和計算之后能夠發(fā)現(xiàn)，流線中的圓面建筑，其所需要承受的風(fēng)載荷相對于方形或是三角形而言更低，且流線中的各個平面剛度參數(shù)也比較接近。同時，在進(jìn)行抗震概念結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該做好抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計，分別布設(shè)在建筑體周邊，目的在于以此促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增長。

3.4 豎向設(shè)計

推進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計工作時，需要嚴(yán)格遵守建筑結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻分布的規(guī)律。

建筑抗側(cè)力設(shè)計時，為了提升建筑結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性，應(yīng)該先行分析建筑結(jié)構(gòu)的豎向剛度分布特點(diǎn)，隨后結(jié)合節(jié)點(diǎn)需求進(jìn)行建筑豎向設(shè)計，其間需按照從上至下的原則完成建筑抗震的豎向設(shè)計。為了能夠更好地預(yù)防建筑結(jié)構(gòu)方案出現(xiàn)水平承載力突然降低的情況，設(shè)計師應(yīng)該將精力投放在建筑結(jié)構(gòu)的豎向設(shè)計方向上，以此提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震抵抗力。此過程中，可以在抗震概念設(shè)計流程中融合“剛?cè)岵?jì)”原則，目的主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是為了滿足部分建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件提升強(qiáng)度的需求，另一方面則是為了滿足建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要削弱硬度的設(shè)計需求。為提升建筑結(jié)構(gòu)豎向的抗震概念設(shè)計質(zhì)量，可以可直接利用束筒設(shè)計方案去提升建筑結(jié)構(gòu)的剛度，并以此將建筑的消能減震效果提升，參考現(xiàn)階段大部分的建筑，尤其是高層建筑，其在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)處理時，應(yīng)該積極針對現(xiàn)有的設(shè)計理念做好創(chuàng)新，例如可借助新式斜拉索結(jié)構(gòu)設(shè)計模式設(shè)計出穩(wěn)定且安全的空間環(huán)境[9]。由此可見，充分在建筑結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計中融入概念設(shè)計理念，對于建筑的設(shè)計方案完善具有十分顯著的促進(jìn)作用，還可進(jìn)一步提高建筑設(shè)計方案的科學(xué)合理性。

3.5 設(shè)置多道抗震防線

對于建筑物來講，如果其單一結(jié)構(gòu)體系僅設(shè)計一道防線，一旦遭遇地震災(zāi)害，很容易導(dǎo)致建筑物形成倒塌類破壞，如果地震期間建筑的自身周期與地震卓越周期不斷接近，將會在一定程度上加快建筑的倒塌速度，加大地震對于建筑的危害。為了避免此類問題出現(xiàn)，建筑概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，設(shè)計師可以為建筑設(shè)計多道抗震防線，將多道防線作為建筑抗側(cè)力提升的物理支持。其中，首道防線受地震影響損壞后，后續(xù)的二、三道防線抗側(cè)力構(gòu)件會按次序生效，用以抵抗由地震災(zāi)害所帶來的地震動沖擊，以此確保建筑物在最低限度內(nèi)的抗震能力，提升建筑地震階段的安全性能，避免出現(xiàn)倒塌類問題。一般而言，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與地震卓越周期越趨于一致時，那么抗震設(shè)計時所配置的多道防線有效性則越突出，原理是當(dāng)建筑的自身周期與地震卓越周期接近時，多道抗震防線的設(shè)計可以短時間內(nèi)調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的振動周期出現(xiàn)大幅度變化，從而將建筑與地震的卓越周期錯位安排開，避免出現(xiàn)建筑共振情況，最終降低建筑的破壞。

例如，某建筑的地理位置處于地震區(qū)，該建筑的地面樓層共計24 層，建筑高為89m，設(shè)計方案中顯示，建筑選用了鋼筋混凝土芯筒作為主要材料，以此提升建筑的抗風(fēng)性能和抗震性能。在芯筒之中，分別設(shè)置了4 個小芯筒，24 層樓的每一層樓板位置，主要以鋼筋混凝土作為4 個小芯筒的連系梁，借助超出常規(guī)截面的設(shè)計方案，確保4 個小芯筒為一個完成的建筑大筒，提升建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具體如圖1 所示。

3.6 建筑點(diǎn)選擇

進(jìn)行建筑場地的確認(rèn)時，想要提升抗震性能，首先需要做好的工作，就是勘察建筑場地條件，選擇最有利于結(jié)構(gòu)抗震的地理施工點(diǎn)，并在設(shè)計中主動遠(yuǎn)離不利于建筑抗震設(shè)計的地段。一般而言，不利于抗震性能提升的地段，主要集中在易發(fā)生崩塌、地裂、泥石流等地段，包括場地內(nèi)存在溶洞、地下煤礦采空區(qū)等，對于部分已經(jīng)測出Ⅷ級烈度的震中烈度數(shù)據(jù)的位置，其也不利于建筑結(jié)構(gòu)抗震，因此也不宜選擇此地段建造建筑。

應(yīng)用抗震概念設(shè)計進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該做好建筑場地的調(diào)查工作，盡量選擇具備高密實(shí)度、高硬度特征的場地條件開展相應(yīng)的設(shè)計工作。當(dāng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是存在軟弱土或是斷層破碎帶明顯的土地場所，則應(yīng)該盡量避免作為建筑主體結(jié)構(gòu)施工點(diǎn)，以此預(yù)防建筑結(jié)構(gòu)因地震出現(xiàn)坍塌等危險。

例如，某地現(xiàn)場的地表土為沖填土，且經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地表下存在較多的淤泥或淤泥質(zhì)土，地下水的水位相對較高。建設(shè)于此地的住宅樓，在地震來臨前已經(jīng)出現(xiàn)了沉降問題，沉降數(shù)據(jù)測量發(fā)現(xiàn)已達(dá)到200mm，地震發(fā)生后沉降量突然加大至350mm。雖然該住宅樓的建筑點(diǎn)距離地震災(zāi)害區(qū)域較遠(yuǎn)，但受地震影響也出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的房屋傾斜問題，且伴隨著房屋四周地面隆起的建筑使用安全問題，具體如圖2 所示。

4 結(jié)語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展中，抗震概念設(shè)計工作的展開，能夠在極大程度上為建筑使用安全性能提升起到促進(jìn)作用。一方面，抗震概念設(shè)計中需要做好結(jié)構(gòu)方案的選擇工作，隨后就建筑平面以及豎向做好相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，且有時在隔振設(shè)計方面也需要投放一定的抗震概念設(shè)計精力，如此才能真正為建筑抗震設(shè)計質(zhì)量優(yōu)化提供支持，為建筑使用安全提升奠定基礎(chǔ)。