建筑工程中減震結(jié)構(gòu)設(shè)計探究

時德瑞

(重慶長廈安基建筑設(shè)計有限公司濟南分公司，山東 濟南 250000)

0 引 言

在建筑工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是最為關(guān)鍵的一個組成部分，其不但會對建筑結(jié)構(gòu)的整體性產(chǎn)生影響，同時也直接決定著建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，特別是對于經(jīng)常發(fā)生地震的區(qū)域而言，還需要綜合考慮減震結(jié)構(gòu)設(shè)計。建筑設(shè)計過程中需要考慮的因素有很多，不但涵蓋了梁柱的延伸性設(shè)計，同時還需要包括其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作。如果想要最大限度地提升工程整體質(zhì)量，更為重要的一個方面就是要結(jié)合建筑物的實際情況保證設(shè)計更加規(guī)范與安全。與此同時，最大限度地提升建筑結(jié)構(gòu)的減震性能也是提升建筑物整體穩(wěn)定性的途徑之一?；诖?，文章對建筑工程減震結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題進行闡述與分析。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點概述和分析

1.1 整體分析

對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，主要指的就是結(jié)合建筑物各個構(gòu)件的實際受力情況對建筑物進行合理的分析與設(shè)計，力求能夠從結(jié)構(gòu)設(shè)計層面入手保證建筑物結(jié)構(gòu)具有較為良好的穩(wěn)定性與安全性，這一方面保證了建筑物的整體質(zhì)量，同時對于保證人們生活水平也會起到積極促進。建筑物施工完畢之后，必然要投入日常運營，此時建筑物會受到各種力的綜合影響，不同作用力對建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性所產(chǎn)生的效果也會有所差別，如果整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平?jīng)]有滿足國家相關(guān)標準要求與規(guī)定，那么就可能會因為個別構(gòu)件承載力不足而導(dǎo)致其自身的作用力顯著降低，導(dǎo)致建筑物的社會效益與經(jīng)濟效益受到消極影響。而在建筑物整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，減震設(shè)計是一項十分重要的內(nèi)容，特別是近些年來我國接二連三發(fā)生了幾起嚴重的地震地質(zhì)災(zāi)害，也給建筑物產(chǎn)生較大影響。為了能夠更好地防止自然災(zāi)害所造成的影響，在開展建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中必須對減震設(shè)計給予高度關(guān)注與重視，盡可能地對建筑物所在地的地質(zhì)情況加以詳細的調(diào)查與統(tǒng)計，之后在進行整個建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要使用滿足本地區(qū)實際需求的一系列減震技術(shù)手段，這種方式對于提升建筑物的抗震性能有積極意義，同時還可以保證建筑物后期使用時可以安全運行，為維護社會穩(wěn)定創(chuàng)造了良好的基本條件與價值。

在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中必須要對整個建筑物中的各個危險構(gòu)件進行詳細設(shè)計，通過數(shù)據(jù)計算得到各個構(gòu)件所能夠承載的荷載極限值。在開展具體設(shè)計的過程中，必須要始終堅持穩(wěn)定性與安全性原則，結(jié)合建筑物使用需求對其進行綜合規(guī)劃與設(shè)計。整個建筑設(shè)計的核心內(nèi)容就是要保證建筑物結(jié)構(gòu)具備良好的穩(wěn)定性，這樣建筑物在遇到外力的影響下，也可以具備良好的抵御能力，進而保持建筑物原有的使用狀態(tài)，降低了外界作用力對建筑物產(chǎn)生的影響。在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中需要綜合考慮墻柱、梁板、樓梯等各個部件，這些構(gòu)件不但是建筑物的框架組成部分，同時也是建筑物的主要受力構(gòu)件。在建筑物整個受力體系當(dāng)中，以上構(gòu)件之間都會出現(xiàn)作用力相互傳遞的情況，因此會承受豎向或者水平方向的力作用，因此就對構(gòu)件的抗震、減震性能提出更高要求與規(guī)定，只有保證了建筑物構(gòu)件具有較高穩(wěn)定性，才可以保證建筑物安全性能滿足使用要求。

1.2 結(jié)構(gòu)控制

結(jié)構(gòu)整體控制也是一種十分常見的減震途徑，其是在整個建筑物結(jié)構(gòu)以及建筑形式都已經(jīng)被得到了良好控制以后，設(shè)計人員需要從系統(tǒng)角度出發(fā)加強有效控制。在應(yīng)用這種控制方式的過程中需要滿足預(yù)期需求，最為關(guān)鍵的一點就是希望可以令建筑物內(nèi)容所有構(gòu)件自身的強度與延展性都可以滿足建筑物所在地地震設(shè)計烈度要求。設(shè)計人員在設(shè)計過程中要充分考慮建筑物自身的實際特征以及具體使用用途，進而對整體結(jié)構(gòu)加以合理控制，保證建筑結(jié)構(gòu)在大地震來臨以后可以體現(xiàn)自身價值，不斷提高建筑物的穩(wěn)定性。

1.3 梁結(jié)構(gòu)延性設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑物設(shè)計中扮演著十分重要的角色，其中梁作為水平作用力的主要傳遞構(gòu)件顯得尤為重要，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)采取措施保證梁在受力作用下的撓度滿足要求，保證其延展性滿足要求，可以最大程度上抵御地震影響。另外，還應(yīng)當(dāng)合理控制梁兩段的延性系數(shù)，這對于提升滯回曲線飽和度有積極價值。在進行設(shè)計過程中如果發(fā)現(xiàn)梁的跨高比率較低，那么此時梁自身的延性也會受到影響，梁在受力作用下的變形也會產(chǎn)生變化。如果在建筑物使用過程中梁體結(jié)構(gòu)整體延性、強度沒有達到實際需求，那么梁體在水平作用力影響下可能會發(fā)生破壞，進而影響整個建筑物的穩(wěn)定性。對于這種情況而言，設(shè)計人員可以借助的手段比較多，例如可以在鋼板鏈接位置設(shè)置水平縫，并在縫隙兩側(cè)位置設(shè)置鋼板結(jié)構(gòu)，并在其上開設(shè)螺栓孔，使用高強度螺栓連接。這種方法不但可以滿足延性需求，同時還可以在剛度保持不變的前提下，最大程度上降低地震所產(chǎn)生的影響。

1.4 柱的延性設(shè)計

結(jié)合以往地震災(zāi)害之后的實地調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果建筑物受到地震作用力較小，那么一般柱不會產(chǎn)生較大破壞，柱子在地震力作用下，其自身延性也可以得到充分發(fā)揮。但是如果地震力較大，那么柱子自身的延性可能就會受到影響。所以，在對主體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計過程中可以適當(dāng)?shù)丶友b螺旋箍筋結(jié)構(gòu)，一方面可以保證箍筋強度得以提升，另外還可以對已有材料配置進行不斷優(yōu)化，這種設(shè)計方式的好處就是可以提高建筑的整體抗震性能，因此結(jié)合建筑物實際情況進行合理開展柱子的延性設(shè)計是尤為關(guān)鍵的。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要隔震措施

2.1 建筑物地基要盡可能采用特殊材料進行隔震控制

地基是地震對建筑物產(chǎn)生影響最直接的部位，同時也是地震作用力最直接的作用區(qū)，因此關(guān)鍵所在就是要不斷加強地基的基礎(chǔ)設(shè)施，力求能夠獲得良好的隔震效果，這也是最便捷、最直接的手段。對于建筑物隔震而言，主要指的就是對建筑物部分基礎(chǔ)設(shè)施進行特殊化的處理，可以鋪設(shè)一些墊層實現(xiàn)對地震作用力的逐層削弱，進而減輕地震對建筑物所產(chǎn)生的破壞作用。這種方法雖然是一種比較傳統(tǒng)的方法，但是其作用效果卻十分理想。這種方法的原理就是通過減弱地震波的影響，通過中介物質(zhì)不斷地削弱地震波能量，進而實現(xiàn)對建筑物的保護作用。在我國建筑歷史發(fā)展過程中，甚至曾經(jīng)還有人使用糯米作為原材料設(shè)置建筑物基礎(chǔ)部分，力求可以減輕地震對建筑物所產(chǎn)生的損害，雖然這種方法聽上去可能不靠譜，但是在當(dāng)時的歷史情況下，也是一種比較良好的技術(shù)創(chuàng)新，而且研發(fā)人員也已經(jīng)認識到了地基材料選擇應(yīng)當(dāng)具備一定的黏著性，只有借助這種方式，才能夠獲得較為良好的隔震效果。而隨著我國科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展速度的不斷加快，越來越多先進的材料被使用到了建筑物地基建設(shè)當(dāng)中。而經(jīng)過不斷的研究與試驗，一些研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)瀝青作為一種特殊材料，將其應(yīng)用到建筑物地基當(dāng)中，會獲得較為良好的減震效果。

2.2 建筑物層間隔震的主要措施分析

對于一些正在進行改建的老舊建筑物而言，也需要對其進行隔震設(shè)計，一般情況下所使用的都是層間隔震的方式。這種方法的施工可操作性較強、較為便利，因此被廣泛地應(yīng)用到了工程施工領(lǐng)域。而與建筑物基本物質(zhì)設(shè)置隔震裝置對比而言，層間隔震的效果并不是十分理想，而且減震作用范圍也比較小，因此層間隔震的方式的方法很難能夠大規(guī)模地應(yīng)用到建筑物設(shè)計結(jié)構(gòu)當(dāng)中，與其他方法對比而言，其所可能產(chǎn)生的減震作用也不是十分理想。這種方法更多情況下所依靠的還是設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)各個層間間隔的減震設(shè)施對地震能量進行逐漸吸收與削弱，進而減小地震對建筑物所造成的危害程度，但是整體效果并不是十分好。

2.3 建筑物結(jié)構(gòu)懸掛隔震

懸掛隔震結(jié)構(gòu)也是目前比較常見的一種隔震構(gòu)造，其是將建筑物大部分或者整個建筑物懸掛起來，在建筑物構(gòu)件受到地震力荷載沖擊時，地震的能量就不會傳遞到已經(jīng)經(jīng)過懸掛處理的結(jié)構(gòu)，進而達到減少損壞、傳遞能量效果，對于這種結(jié)果而言，一般比較常用于一些鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中。但是這種設(shè)計模式對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的專業(yè)知識要求較高，需要將建筑物主體框架與子結(jié)構(gòu)框架充分結(jié)合在一起，這種結(jié)構(gòu)及時在地震來臨時，子結(jié)構(gòu)框架也不會受到地震荷載影響。從其主要原理上看，就是在地震荷載來臨之前主框架會隨著地震波方向產(chǎn)生搖擺，但是框架與主框架之間是能夠進行靈活運動的標桿，因此地震能量在達到各個構(gòu)件之后，就已經(jīng)受到了一定的削弱與簡化，不會直接傳遞到建筑物主體結(jié)構(gòu)當(dāng)中。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式的主要優(yōu)勢就是具有良好的隔震效果，同時對于降低建筑物損傷也起到了積極幫助。但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式的整體成本造價比較高，大量的鋼結(jié)構(gòu)將會導(dǎo)致整體工程的施工成本出現(xiàn)不斷降低情況，因此通常情況下被使用到民用建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

2.4 其他常見隔震設(shè)計手段

對于建筑減震設(shè)計而言，就是希望能夠最大限度地令建筑結(jié)構(gòu)在建筑物當(dāng)中具有良好強度。通過以上論述可以發(fā)現(xiàn)，可以選擇的減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法比較多，在選擇具體方法過程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合整個建筑物的具體使用要求。但是在具體設(shè)計時，可能會出現(xiàn)某個部位延性或穩(wěn)定性不理想的情況。為了解決這個問題，在設(shè)計時就可以從兩個角度出發(fā)對建筑物特點進行研究，進而保證建筑結(jié)構(gòu)減震設(shè)計效果滿足實際需求。所以，減震結(jié)構(gòu)誰應(yīng)當(dāng)被進行大范圍的推廣，在不同類型的建筑物結(jié)構(gòu)當(dāng)中都進行合理使用。

(1) 吸震設(shè)計。對于這種設(shè)計方式而言，是結(jié)構(gòu)安裝過程中所選擇的一種比較特殊的方式，另外還可以在建筑物當(dāng)中安裝附加結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)匚盏卣鹆λa(chǎn)生的能量，這種方式可以緩解建筑物所產(chǎn)生的損害。一般情況下目前比較常見的做法就是在適當(dāng)位置預(yù)留分隔縫，通過內(nèi)外筒之間所產(chǎn)生的吸引作用對地震能量加以有效吸收，保證建筑物的使用安全與壽命。

(2) 阻震設(shè)計。對于這種方式而言，筆者認為可以適當(dāng)?shù)卦黾幼枘崞鞯臄?shù)量，阻尼器在地震來臨之后可以有效降低地震所產(chǎn)生的能量，降低地震荷載所產(chǎn)生的振動效應(yīng)。如果阻尼器自身的性能比較理想，那么對于緩解地震作用力有積極意義。一般情況下，對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，可以在高層框架核心筒體連接位置增設(shè)彈簧鋼桿摩擦減震器等。

(3) 隔震設(shè)計。隔震設(shè)計在最近幾年也受到了人們的關(guān)注，也是目前比較常用的一種設(shè)計方法，其主要原理就是在整個建筑物的防震結(jié)構(gòu)位置合理設(shè)置隔震層，通過這種結(jié)構(gòu)降低地震能量的影響。在進行隔震設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)明確較為阻震特征，使用這種方式的主要作用在隔震層當(dāng)中安裝特殊材料。

(4) 結(jié)構(gòu)的動力優(yōu)化設(shè)計。無論是在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計還是在減震設(shè)計當(dāng)中都應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際情況對結(jié)構(gòu)加以合理優(yōu)化，例如在選擇吸振器過程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮相關(guān)參數(shù)以及具體的安裝位置，這些都是需要關(guān)注的重點，只有通過這種方式才可以保證結(jié)構(gòu)具有良好的合理性。以下就將框架減震墻結(jié)構(gòu)作為研究對象對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)問題加以闡述與分析。對于框架結(jié)構(gòu)而言，在遭遇中震時，塑性鉸僅僅是出現(xiàn)在梁結(jié)構(gòu)的兩段，而在遭遇大震時則會在柱子根部出現(xiàn)塑性鉸，最終形成梁式側(cè)移結(jié)構(gòu)，因此無論是在任何情況下節(jié)點都始終處于彈性狀態(tài)。而對于抗震墻結(jié)構(gòu)而言，在中震時塑性鉸僅僅是出現(xiàn)在梁結(jié)構(gòu)的兩段，只有在遭遇大震動情況下才會在墻體根部位置產(chǎn)生塑性鉸。而從地震實際情況以及試驗所得到結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，墻體一般是先于框架破壞。

3 結(jié)束語

綜上所述，在開展工程建設(shè)的過程中，工作人員結(jié)合建筑物所在地地震烈度情況合理開展減震結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分關(guān)鍵的?？梢允褂玫臏p震方法有很多，但是不同設(shè)計方法有著各自的優(yōu)勢與不足，因此筆者認為設(shè)計人員一方面可以結(jié)合建筑物具體情況選擇合理的減震設(shè)計方法，同時也可以將幾種不同方法綜合結(jié)合在一起，真正實現(xiàn)趨利避害，進而獲得比較理想的減震設(shè)計效果，不斷提升建筑物的整體穩(wěn)定性，保障人民生命財產(chǎn)安全。