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

（浙江工業(yè)大學工程設(shè)計集團有限公司，浙江省杭州市，310000） 林王成 朱 威

在房屋建筑的設(shè)計中，不僅要滿足人們對于現(xiàn)代化建筑的美觀及使用需求，同時也要保證建筑的安全及耐久性。因此，抗震性能已成為目前房屋建筑的必備特性之一?？拐鹪O(shè)計是當前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要方向。具有良好抗震性能的建筑可以有效降低地震對建筑的影響，在地震發(fā)生時保護人民的生命及財產(chǎn)安全，所以，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計就顯得非常重要。

1 抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要作用分析

當今時期，在國民經(jīng)濟飛速提高和建筑業(yè)日益發(fā)達的歷史背景下，中國的住宅建筑規(guī)模也呈現(xiàn)逐漸擴大態(tài)勢，與此同時，住宅建筑的復雜程度和規(guī)模也在不斷增加，這導致人們對住宅建筑的各方面要求也愈來愈高，如結(jié)構(gòu)的抗震性能等。結(jié)構(gòu)的抗震特性主要是指在場地環(huán)境遭受地震的影響時，場地結(jié)構(gòu)的強度、結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了相應(yīng)改變，由于延性較大的結(jié)構(gòu)抗震特性較好，故良好的結(jié)構(gòu)延性就可以產(chǎn)生很大的變形作用，讓塑性區(qū)能夠有效緩解地震帶來的余波，減小地震反應(yīng)。因此，抗震設(shè)計成為現(xiàn)代化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計亟須解決的重要問題[1]。

2 抗震設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

2.1 對地震破壞的初步考察

根據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)的城市中，大多數(shù)的房子都是3 層磚石結(jié)構(gòu)，為的是給人們提供一個方便的生活環(huán)境，所以在1層中設(shè)置了底商停車位或車庫。在這兩棟樓中，大部分都是沒有墻壁的，所以選擇了混凝土作為墻壁的建造材料，用來建造梁柱。但是，這種新型建筑的柱子截面較小，其墻體為磚石砌體。除一樓外，自二樓往上數(shù)，其余各樓均為普通砌筑。從建筑結(jié)構(gòu)布局的角度來看，該類型房屋建筑的上層建筑與下層建筑墻體不齊，沿垂直方向的墻體具有不連續(xù)特征。在地震中，盡管有些房子沒有坍塌，但大多數(shù)房子都受到了一定的破壞，使人們在房子里不能正常地活動。

2.2 設(shè)計方案

在一層為底商停車位或車庫的房屋建筑中，通常會采用強化外墻承重的方式來提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而忽視了對縱向抗側(cè)力構(gòu)件進行有效的處理，從而造成了整個建筑的抗震能力較弱。針對這一問題，本項目擬將此類建筑物視為多層磚混結(jié)構(gòu)，并在其基礎(chǔ)上，從技術(shù)及剛度控制兩個方面，研究該類建筑物的抗震加固措施：①不管是底商停車位或地下，一樓過道門軸的處理都十分關(guān)鍵，根據(jù)抗震墻磚的設(shè)計要求，設(shè)置一樓過道門軸，并在道門軸上增設(shè)一樓隔墻，保證上下兩樓之間的框架對齊，同時對梁柱的對準程度進行檢驗，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，對二樓側(cè)移剛度與一樓框架的剛度之比進行有效控制；②采取“均布”的方式，將一層樓的鋼筋砼地震墻由原來的非均布改為均布，并以此為參考物，左右對稱地設(shè)置鋼筋砼抗震墻。若一樓樓房是單門樓房，以橫向剛度為調(diào)節(jié)目標，再布置一樓樓房的橫向剛度系統(tǒng)，以防止在地震時發(fā)生扭轉(zhuǎn)作用；③將外部縱向墻的底部混凝土構(gòu)件與水平墻進行連接，形成更好的整體穩(wěn)定體系。在這兩種結(jié)構(gòu)形式中，主要以地震作用下的墻板、梁、柱結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)形式。為滿足抗震設(shè)防要求，在大地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按照“強柱弱梁”（如圖1 所示）的原則進行設(shè)計。

圖1 強柱弱梁

一種以剛性為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。墻體的軸心剛度是提高墻體抗震能力的關(guān)鍵，需根據(jù)現(xiàn)行的抗震設(shè)計方法，以底部框架內(nèi)的墻體為研究對象，強化墻體的豎向剛度比值的設(shè)定。通過對地震破壞情況的分析，可以看出，由于底層框架的構(gòu)造比較復雜，底層組合構(gòu)件對建筑物的抗震能力是不利的，對提高建筑物的地震能力是不利的。針對這一問題，文中選擇了各層框柱做優(yōu)化，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，將各層框梁配筋的混凝土水平值輸入到結(jié)構(gòu)體系中，使結(jié)構(gòu)體系在整體優(yōu)化時保持不變。本文采用下列的剛性比計算式來計算和分析建筑物的防震墻的剛性比值[2]。

式中，1K為房屋建筑底層剛度；K2為房屋建筑2 層剛度；∑ωK為混凝土抗震墻側(cè)向剛度；∑Kωb為位于底層的抗震墻側(cè)向剛度。

利用計算各項指標剛度，依據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計剛度控制規(guī)范：①基座抗震墻的剛度控制：以震后基座抗震墻所產(chǎn)生的屈曲變形為基礎(chǔ)，考慮基座的剪力變形，確定基座的剛度控制極限，并對基座的抗震性能進行評估，保證基座在震后仍能保持結(jié)構(gòu)的整體性能；②基礎(chǔ)框架的剛度控制：基于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)需要，假設(shè)基礎(chǔ)框架的剛度有一定的約束條件，采用時程響應(yīng)分析法，對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性態(tài)進行評價，但需要按照形態(tài)評價機構(gòu)的評價標準來決定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性態(tài)；③磚混地震墻的剛度控制：要按照墻高與墻寬之比來控制這一性能指標，在比小于1 時，應(yīng)以剪力為基礎(chǔ)，以防止變形，并設(shè)置其剛度的受控區(qū)域，確定其剛性受控范圍；在比大于4的情況下，按等價方法將結(jié)構(gòu)的頂點位移作為結(jié)構(gòu)的性態(tài)指標，進行結(jié)構(gòu)的性態(tài)分析；④砌筑砌體地震墻的剛性控制：這一段的剛性要求比較高，在墻的彈性側(cè)移剛度之外，還要加上框架的彈性側(cè)移剛度，二者的總和就是剛性控制的極限。在磚混建筑中，可接受的差異沉降為部分控制，而在框架及單層排架的基礎(chǔ)上，則是通過相鄰立柱基礎(chǔ)的差異沉降來控制，而在多層及高層建筑中，則是通過傾角的大小來控制。

3 抗震技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用方案分析

3.1 對住宅建設(shè)選址的科學性

在選擇住房建設(shè)地點時，必須與開發(fā)商進行詳細的溝通，詳細地了解房子的戶型結(jié)構(gòu)，周圍的配套設(shè)施會不會影響房子的生活環(huán)境，會不會降低房子的價值。優(yōu)先選擇可控地區(qū)，減少地震作用的影響，對周邊地形、地貌特征進行綜合研究，將其建設(shè)在平坦、開放的區(qū)域，增加施工環(huán)境土壤的緊實度，提高其最大承載力，為房屋建筑的穩(wěn)定性和安全性打下良好的基礎(chǔ)[3]。

3.2 建立多道防震結(jié)構(gòu)

抗震防護在改善建筑物抗震性能、保護人們生命和財產(chǎn)的前提下，發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。為提高其抗震性能，可根據(jù)樓房具體類別、結(jié)構(gòu)類型、樓房高度等多種因素判定，建立防震結(jié)構(gòu)。

3.2.1 地震作用水平

通常情況下，不需要對房屋進行區(qū)分，以其使用功能的重要性為依據(jù)，將建筑結(jié)構(gòu)分為甲、乙、丙、丁類4個抗震設(shè)防類別，一般住宅與辦公樓為丙類建筑。地震的強度是按里氏指數(shù)來劃分的，從1到8.9，房屋在1到3的時候不會受到任何傷害，在4到5 的時候會受到一些傷害，在5 以上的時候會對房屋造成傷害。

3.2.2 地震烈度

地震烈度是由有關(guān)部門依據(jù)地質(zhì)、地質(zhì)及歷史數(shù)據(jù)，通過對建筑物的調(diào)查與確認，對建筑物的安全性、適用性及耐久性做出的一種評價。本文以國內(nèi)各大城市及區(qū)域為例，提出了一種基于地域性的抗震設(shè)防及地震動分類方法。它是一個重要的度量指標，反映了中心城區(qū)的精確坐標（以經(jīng)緯度表示），并以此作為衡量中心城區(qū)與周邊地區(qū)的坐標關(guān)系的出發(fā)點。

3.3 改善住宅建筑物的抗震性能

為確保建筑物的地震安全，應(yīng)在設(shè)計中做好下列工作：①在房屋建造時，應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，選取具有高硬度和高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，以抵御外部環(huán)境的改變，防止基礎(chǔ)發(fā)生變形而造成的地震作用失效；②在建筑物的構(gòu)造中，必須以同一性質(zhì)的基礎(chǔ)為基礎(chǔ)進行構(gòu)造，使建筑物的構(gòu)造中，能夠最大限度地利用基礎(chǔ)的潛能和功能，使建筑物的抗震性能得到最大程度地體現(xiàn)。

3.4 對建筑物的參量信息進行正確的計算

3.4.1 磚混建筑地地震破壞原因

在地震作用下，磚混結(jié)構(gòu)的整體破壞程度和整體強度都是比較低的。在過去的幾次大地震中，由于沒有進行合理的抗震設(shè)計，磚混結(jié)構(gòu)房屋都受到了一定的損傷。由于年代久遠，許多磚混結(jié)構(gòu)的平面布置、結(jié)構(gòu)形式及抗震構(gòu)造等均未達到現(xiàn)行規(guī)范的標準，因而在地震發(fā)生時，磚混結(jié)構(gòu)的損傷最大，甚至發(fā)生大面積坍塌。對已有輕至中度破壞的房屋，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造的研究是十分必要的。

3.4.2 鋼架結(jié)構(gòu)的地震破壞分析

汶川大地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)都顯示出了較好的抗震能力，但其所引發(fā)的震后破壞問題仍是一個亟待解決的問題，為解決建筑物在空間上的不均勻性，在建筑物上設(shè)置了防震縫，抗震規(guī)范對地震裂縫的寬度有一定的要求，所以避震縫應(yīng)該以建筑物的高度和抗震設(shè)計烈度為依據(jù)來決定，它的最小寬度應(yīng)該滿足以下條件：①在高度不大于15m的時候，應(yīng)該以建筑的伸縮縫或沉降縫為反面分水線，或者是屋頂面積比較大的部位。可以選擇70mm；②在高度大于15m的時候，要根據(jù)不同的設(shè)防烈度來加大縫寬：在6度區(qū)域，建筑物每升高5m，縫寬就會加大20mm；同時，對于高層建筑，對于混凝土結(jié)構(gòu)，其抗震性能也有不同的要求。因此，為了保證房屋的抗震能力，不應(yīng)該為了追求房屋外形的美感，而建設(shè)外形復雜的建筑物。在抗震縫之間的填料，要選用不會影響抗震縫功能的彈性材料。

4 結(jié)語

提高住宅結(jié)構(gòu)的抗震能力，對保障人民的生活有重要意義。提高房屋的抗震能力，可以降低地震的震害，保證人民的生命財產(chǎn)安全。本研究擬以現(xiàn)存老式磚混結(jié)構(gòu)建筑為研究對象，探討此類結(jié)構(gòu)的減震措施。在對房屋地震破壞現(xiàn)狀進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，對房屋的抗震加固進行了研究?；凇靶≌鸩粔?，中震可修，大震不倒”抗震設(shè)計標準，依據(jù)建筑物的功能要求，選擇出最優(yōu)的抗震設(shè)計方案?？赏ㄟ^增加構(gòu)件截面，替換部分構(gòu)件，改變其使用性能，調(diào)整房屋荷載分布，提高構(gòu)件承載力，實現(xiàn)對房屋的加固。