建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳少杰 方蘇婷

1.浙江華洲國際設(shè)計工程顧問有限公司 浙江 杭州 310000

2.天尚設(shè)計集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310000

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，我國對于房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求，尤其底層墻體為甚，或某邊縱向無墻房屋建筑等。如下層是車庫或商鋪等房屋建筑，這類建筑具有同樣的特征，也就是要求底層有更大的利用空間，需大量開孔，造成了縱向抗側(cè)剛度的非均勻分布，與此同時，水平方向的抗側(cè)剛度亦存在這種現(xiàn)象。

1 進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計之目的

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究，它的目標(biāo)有三：首先，要保證建筑物受到小地震影響不發(fā)生破壞、開裂等現(xiàn)象，且能夠維持建筑物正常工作；另一種是中等強度地震時，建筑物略有破損，且修復(fù)后不影響建筑物結(jié)構(gòu)；強烈地震后，建筑物一定要穩(wěn)定，為了保證周邊環(huán)境及人員安全。所以在進(jìn)行建筑設(shè)計的時候，對建筑物抗震加固要科學(xué)對待，并且根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，開展了區(qū)域地震災(zāi)害評價工作，測定了它們的抗震性能，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)布置，增強抗震效果，維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。目前結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計日益受到關(guān)注，直接關(guān)系到施工質(zhì)量，關(guān)系到工作人員人身安全[1]。尤其在一些地震多發(fā)地區(qū)，以確保建筑的安全性，提高設(shè)計水平勢在必行。將圍繞結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計展開深入分析探討，文中還詳盡地說明了它所遵循的原則及設(shè)計思想。

2 抗震設(shè)計時應(yīng)遵循哪些基本原則

2.1 將抗震設(shè)計與建筑設(shè)計完全融合在一起

對建筑項目來說，以建筑設(shè)計為基本框架參考。一般情況下，建筑工程還沒有動工，就要搞好建筑設(shè)計。此外在施工期間，要全面搞好地質(zhì)工作、環(huán)境和其他預(yù)測工作，依據(jù)預(yù)測內(nèi)容，進(jìn)行預(yù)防。在建筑設(shè)計時，尤其應(yīng)注意設(shè)計是否合理，有效，為了確保后期施工工作能夠更好地進(jìn)行，所以，將抗震設(shè)計與建筑設(shè)計完全結(jié)合起來是非常必要的，這是抗震設(shè)計中最重要的一環(huán)，要把它搞好，才能確保建筑抗震性能的有效改善。假定在建筑物的設(shè)計中，未完全融合抗震理念等，僅用固件簡單加固一下建筑的外圍，地震來臨時，建筑物很容易坍塌；并且假定建筑建設(shè)前，便充分考慮了建筑在抗震性方面，做好各項應(yīng)對措施，毫無疑問，它將極大地增加建筑物在地震作用下的性能，還能最大限度地減少地震造成的生命財產(chǎn)損失。

2.2 簡化性原則

精簡房屋建筑結(jié)構(gòu)，對于增強建筑的抗震性能有很大的幫助。所以當(dāng)我們把抗震設(shè)計納入房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，要盡量使建筑結(jié)構(gòu)簡單化，切忌設(shè)計太過繁雜。針對本課題所研究的底商房屋建筑，需留出充足活動空間，基于設(shè)計技術(shù)與性能提升的雙重視角，提高建筑抗震性能。

2.3 整體性原則

進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員要從整體性出發(fā)，實施全面的分析和考慮，全面考慮建筑要求，對建筑結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行了合理的規(guī)劃，并借此改進(jìn)設(shè)計內(nèi)容，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行優(yōu)化，降低問題發(fā)生率。還要重視前期的實驗，查明了地震災(zāi)害作用下不同級別結(jié)構(gòu)所引起的變化特點，合理選用材料種類，提高結(jié)構(gòu)抗震性。另外，設(shè)計時，力的傳導(dǎo)性的特征需要被考慮，防止應(yīng)力集中于某一點造成局部破損，影響建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，危及建筑安全性?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到很多子結(jié)構(gòu)類型，要加強抗震效果，有必要對組件和細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和加工，提升建筑安全等級。

3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的意義

地震地質(zhì)災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅，盡管隨著科技水平的不斷進(jìn)步，人們可以合理地預(yù)測地震發(fā)生，科學(xué)地預(yù)防與控制地震，但還是給建筑帶來了一些沖擊。所以在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要處理好地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，材料問題、在結(jié)構(gòu)上作出了合理規(guī)劃和加工，增強建筑物抗震能力，在地震中減少損失。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑施工中占據(jù)著重要地位，其對象為建筑結(jié)構(gòu)，材料、對施工工藝作出了科學(xué)規(guī)劃，確保結(jié)構(gòu)安全可靠等，還提供了施工方案，使得施工工作能夠順利開展[2]。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計，就是要保證建筑在地震中安全，避免坍塌、損壞和其他嚴(yán)重問題，增加了居民居住安全性，減少不應(yīng)有的損失。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中容易存在的問題

4.1 選擇結(jié)構(gòu)體系

建筑物的結(jié)構(gòu)體系，是一個逐步開始受到關(guān)注的課題，正確地選擇結(jié)構(gòu)體系對地震發(fā)生具有重要意義。當(dāng)前我國建筑結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土，因此，變形控制過程中，應(yīng)充分考慮鋼筋混凝土位移約束。但是剛框架系統(tǒng)在運行過程中同樣難以提高大變形側(cè)移度。這樣的狀況，既不利于抗震效果的改善，并且還增加了結(jié)構(gòu)所受荷載力。從整體結(jié)構(gòu)體系的角度考慮，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層布置很重要，對于加強層及轉(zhuǎn)換層的強度進(jìn)行剛度強化，從某種程度上說，它將導(dǎo)致剛度凸顯，由此增大了相鄰柱構(gòu)件之間剪力，因此，對結(jié)構(gòu)模式應(yīng)慎重地加以選擇，規(guī)避負(fù)面作用。

4.2 高層建筑越來越多

在社會日益發(fā)展的今天，我國高層建筑逐步增加，但也有部分高層建筑高度超過國家要求，我們應(yīng)該十分重視這類高層建筑的建設(shè)。首先，設(shè)計人員應(yīng)切實開展調(diào)研，文中還以實際案例為依據(jù)，進(jìn)行了理性論證。第二，還需要做幾次模型試驗。由于高層建筑高度已超出國家規(guī)定，因此，實際地震發(fā)生期間，地震作用力破壞力大大增加。隨著建筑高度的不斷提高，許多技術(shù)指標(biāo)已超過合理限度，因此，地震將使其破壞程度大大加劇。

4.3 短柱與軸壓比設(shè)定時出現(xiàn)的問題

許多高層建筑的建設(shè)過程當(dāng)中，以確?？刂浦S壓比，促使柱體截面變大，這一狀況，即使使用高強度混凝土，也無法得到有效緩解。對柱軸壓比進(jìn)行約束的目的，就是要讓柱子處于偏壓情況，避免了出現(xiàn)屈服情況，繼而導(dǎo)致混凝土的碾壓，造成結(jié)構(gòu)延性惡化，繼而對建筑物抗震能力產(chǎn)生影響。

5 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的運用

5.1 不斷更新設(shè)計理念

就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震設(shè)計而言，主要以設(shè)計者為主，專業(yè)知識不足，無明確概念，很難把它和建筑的構(gòu)造結(jié)合起來，地震發(fā)生后，出現(xiàn)了種種問題，危及建筑物及居民安全。所以設(shè)計者要不斷地提高專業(yè)素質(zhì)與職業(yè)素質(zhì)，以及建筑業(yè)發(fā)展趨勢，開展觀念更新優(yōu)化工作，提高重視建筑防震作用，并且采取了科學(xué)，有效的手段，為了確保建筑的安全性。由于建設(shè)項目的規(guī)模較大，工期較長、設(shè)計精確度較高，所以，設(shè)計人員在設(shè)計時，要全面地，全面地去思考，制定針對性設(shè)計方案等，為了更好的指導(dǎo)施工工作的開展[3]。

5.2 科學(xué)選址

地震發(fā)生在地殼板塊劇烈運動，強烈碰撞，破壞性大，危險性高。故在工程設(shè)計中，合理地選擇合適的工程地點減少震害是非常重要的。由于建筑物的地震破壞是由地質(zhì)活動引起的，因此，可在一些地質(zhì)條件相對較好的路段上修建。在震址選擇中，第一，必須考慮兩方面的問題：首先，可在地質(zhì)條件比較優(yōu)越的路段建設(shè)。該地質(zhì)構(gòu)造承載力強，不容易產(chǎn)生地震，滑坡和其他災(zāi)害。在建設(shè)中，能有效地改善結(jié)構(gòu)剛性，增強承載能力，降低地震損失；此外，還應(yīng)選擇平坦開闊而又比較穩(wěn)定的地形、地殼運動不是很劇烈、震級小區(qū)域，本實用新型能夠降低結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，改善建筑抗震性能，增加建筑物安全系數(shù)。

5.3 確定設(shè)計指標(biāo)

進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，設(shè)計者要實地考察，收集完整資料，制定設(shè)計指標(biāo)，以達(dá)到理性，擬定合理抗震設(shè)計方案等，增強建筑抗震能力。在結(jié)構(gòu)上設(shè)計應(yīng)具有科學(xué)性、合理選取指標(biāo)、指標(biāo)合理，充分考慮了可能存在的問題和對結(jié)構(gòu)造成的影響，使得結(jié)構(gòu)承載力大，強度高、有效地增加了剛度。另外，設(shè)計指標(biāo)選擇方面，應(yīng)充分考慮到國家現(xiàn)有規(guī)范，全面分析了地震作用下建筑物破壞程度，并用其完善結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[4]。此外，從設(shè)計上來看，要樹立全方面控制意識，從多個角度進(jìn)行思考，注重設(shè)計合理性與可靠性。

5.4 提高抗震等級

進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，如果達(dá)不到規(guī)范的要求，會在后期使用過程中出現(xiàn)損傷，裂縫，位移。所以，設(shè)計中，要全面掌握建筑抗震等級，增強其抗震能力是否合理，減少了它出現(xiàn)的可能性。地震活動的主要原因是地殼的豎向移動，所以，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要全面把握地震地質(zhì)構(gòu)造特點及其活動規(guī)律，文中還結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，科學(xué)地控制建筑物和周邊環(huán)境，由此對于地震的頻度、對地震等級的變化進(jìn)行了預(yù)報，以期對抗震設(shè)計有所幫助。也是基于此，分析該地區(qū)地震活動趨勢，以確保該區(qū)建設(shè)工程地質(zhì)構(gòu)造總體布局和一定范圍內(nèi)地震活動發(fā)展趨勢，從而降低了它對區(qū)域建設(shè)項目初期設(shè)計的負(fù)面作用。

5.5 抗震防線的設(shè)計

合理布局防震防線等，既保證了建筑整體完整性，還可優(yōu)化建筑物抗震性能，從而確保建筑物安全，穩(wěn)定運行。沒有大地震，要注意有效拓展橫向抗震性，從而實現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)，改善抗震性能。通常有3條防御線，一以二為主，以為主、以控為主。由于在地震中，在主要防震線路損壞時，另兩條防御線也有麻煩，所以一定要科學(xué)分析思考才能確保安全。

5.6 結(jié)構(gòu)選型等

抗震設(shè)計時，合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇對增強抗震效果具有重要意義，所以，設(shè)計中一定要提高結(jié)構(gòu)設(shè)計重視程度，為了提高設(shè)計整體效益。就建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和使用而言，應(yīng)特別注意對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理抗震類型設(shè)計和選擇。根據(jù)建筑特殊的功能需求及主體結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行了詳細(xì)地設(shè)計和分析，主要表現(xiàn)為：立面的主體構(gòu)造與建筑平面的主體構(gòu)造。還要按現(xiàn)行規(guī)范與要求進(jìn)行，確保結(jié)構(gòu)安全，穩(wěn)定，才能達(dá)到最佳抗震性能，切實提高建筑的品質(zhì)，延長了它的使用壽命。

5.7 在設(shè)計中做好建筑空間的結(jié)構(gòu)布置

合理布置建筑物的空間結(jié)構(gòu)指的是做好建筑物的體型設(shè)計以及空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時要兼顧建筑結(jié)構(gòu)的立體設(shè)計，其中包括地基基礎(chǔ)的埋深。因為整個建筑結(jié)構(gòu)可以看做是一根錨固在地基當(dāng)中的長棍，地震作用下主要考慮重心的偏心是否會導(dǎo)致整個建筑物傾倒，這就是地震的水平力所產(chǎn)生的力矩與錨固作用產(chǎn)生的反力矩之間大小的比較，如果重心產(chǎn)生的力矩較大，則建筑物就會傾倒，如果較小則相對穩(wěn)定。做好建筑空間的設(shè)計與布置對于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力有著不言而喻的作用，在布置空間結(jié)構(gòu)的時候也需要注意一些問題。首先，在地震災(zāi)害發(fā)生的時候，建筑結(jié)構(gòu)承擔(dān)的力并不僅僅是一個水平的推力作用，建筑結(jié)構(gòu)在空間中還會受到其他的力作用，比如地震沖擊過程中各個方向針對建筑結(jié)構(gòu)的作用力。所以在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候應(yīng)當(dāng)考慮到結(jié)構(gòu)能夠抵抗不同方向的力，保證建筑結(jié)構(gòu)有足夠的剛度、硬度與穩(wěn)定性，能夠抵抗地震產(chǎn)生的力[5]。所以，建筑結(jié)構(gòu)在空間的剛度和強度越高，就越有利于抵抗地震力。其次，設(shè)計結(jié)構(gòu)的時候應(yīng)當(dāng)注意使體型盡可能簡單，避免設(shè)計異形結(jié)構(gòu)的房屋。因為對稱的房屋結(jié)構(gòu)是最有利于抵抗地震作用的，這也通過很多案例進(jìn)行了證實。在地震設(shè)計規(guī)范中詳細(xì)說明了何為異形結(jié)構(gòu)，在地震中異形結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于簡單的方形建筑，而且在設(shè)計中也要注意盡量避免在房屋的四個轉(zhuǎn)角部分設(shè)置窗戶，這樣會降低房屋四角對地震的抵抗力，使房屋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)可能性大大提高。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在保證建筑結(jié)構(gòu)的體型盡量簡單的條件下，對重要構(gòu)件進(jìn)行計算，保證構(gòu)件的承載能力、抗震能力能夠滿足相關(guān)設(shè)計的要求。最后，是要保證房屋結(jié)構(gòu)的整體性，這就是說設(shè)計人員要在設(shè)計中保證房屋承重構(gòu)件、次要承重構(gòu)件以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)彼此連接成一個整體。目前我國抗震能力較強的結(jié)構(gòu)如框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)都是采用梁板柱一體現(xiàn)澆，用鋼筋連接，這樣房屋的整體性大大提高，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用預(yù)制板等搭接，在地震作用下容易開裂破壞[6]。當(dāng)然地震設(shè)計還需要增加二次結(jié)構(gòu)來保證建筑的安全，如框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)造柱，圈梁，墻體拉筋等等措施，都能有效的減少地震作用下的墻體開裂、倒塌，增強結(jié)構(gòu)的整體性，增大整個結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。因此設(shè)計人員必須熟悉抗震設(shè)計規(guī)范中基本的抗震構(gòu)造措施，對于不同的抗震設(shè)防烈度，采用不同的抗震構(gòu)造措施，以保證大震不倒中震可修小震不壞的設(shè)計理念。

5.8 做好結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計算

要做好建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，尤其是抗震設(shè)計工作，需要對建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行選擇，如果參數(shù)的選擇錯誤，會對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能造成很大的影響，因此在設(shè)計之前，設(shè)計人員就應(yīng)當(dāng)對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行科學(xué)選擇，不能夠確定的參數(shù)通過鑒定勘測機構(gòu)對現(xiàn)場進(jìn)行確定。在模擬地震災(zāi)害所建立的模型當(dāng)中進(jìn)行計算與分析，甚至可以按照比例建造建筑物的模型，并在振動臺上模擬地震作用進(jìn)行試驗，找到建筑結(jié)構(gòu)抗震的薄弱點，進(jìn)行計算與加強，從而保證建筑結(jié)構(gòu)在地震中的受力合理與科學(xué)性。

6 結(jié)論

以加強結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性，對結(jié)構(gòu)加強抗震設(shè)計勢在必行，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及建筑的特點，對結(jié)構(gòu)抗震性進(jìn)行了科學(xué)規(guī)劃與加工，增強結(jié)構(gòu)剛度，強度和承載能力，實現(xiàn)科學(xué)選型和選址，確保結(jié)構(gòu)安全，降低地震帶來的損失與威脅等，在提升建筑質(zhì)量的前提下，為人民群眾打造一個安全、舒適居住環(huán)境。與此同時，優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是推動整個建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展不可忽視的要素，這一點應(yīng)引起有關(guān)方面的重視和探討。