抗震技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中運(yùn)用問題初探

黃銘坤

【摘要】本文通過分析建筑工程設(shè)計(jì)的基本概念和建筑設(shè)計(jì)中需重視的幾個(gè)抗震問題，充分說明建筑設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的重要性，同時(shí)在建筑抗震設(shè)計(jì)中更好地發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)應(yīng)有的作用。

【關(guān)鍵詞】 建筑設(shè)計(jì) 抗震

前言

要提高建筑物的抗震能力，降低地震對(duì)建筑物的危害，就必須將建筑設(shè)計(jì)和建筑抗震設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而提高建筑物的抗震性能。因?yàn)榻ㄖ拐鸬膶?shí)踐表明，一個(gè)地震區(qū)的工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，單靠結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和抗震構(gòu)造措施，而如果不具有良好的建筑總體布置方案，在強(qiáng)烈地震作用下，仍是難以取得較好的抗震效果，甚至不能減輕建筑物的受害程度。有鑒于此，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》內(nèi)容中，在抗震設(shè)計(jì)的基本要求這一章里，就明確了建筑師建筑設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的有關(guān)規(guī)定，遵循這些規(guī)定，再將建筑設(shè)計(jì)與建筑抗震要求有機(jī)結(jié)合，才能使建筑抗震設(shè)計(jì)水平達(dá)到更為完善的高度。

1 抗震設(shè)防區(qū)建筑工程設(shè)計(jì)基本概念

對(duì)于建筑設(shè)計(jì)師來(lái)說，在抗震設(shè)防區(qū)進(jìn)行建筑工程設(shè)計(jì)需要優(yōu)先采用簡(jiǎn)單對(duì)稱的結(jié)構(gòu)方案。建筑的豎向體形變化要均勻，宜優(yōu)先選用矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀，盡量避免過大的外挑和內(nèi)收?？拐鹪O(shè)計(jì)中，房屋的高寬比是非常重要的問題。對(duì)稱結(jié)構(gòu)在地面平動(dòng)作用下，一般只發(fā)生平移振動(dòng)，各構(gòu)件的側(cè)移量相等，水平地震力按構(gòu)件剛度分配，因而各構(gòu)件受力比較均勻；而對(duì)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，剛心會(huì)偏在一邊，質(zhì)心不與剛心重合，即使在地面平動(dòng)作用下，也會(huì)激起扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。其結(jié)果是，遠(yuǎn)離剛心的剛度較小的構(gòu)件，很容易因超出允許抗力和變形極限而發(fā)生破壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)因一側(cè)構(gòu)件失效而倒塌。建筑方案的規(guī)則性對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全性來(lái)說十分重要，它包含了對(duì)建筑的平、立面外形尺寸，抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)量分布，直至承載力分布等諸多因素的綜合要求，規(guī)則的具體界限隨結(jié)構(gòu)類型的不同而異，需要建筑師和結(jié)構(gòu)工程師互相配合，才能設(shè)計(jì)出抗震性能良好的建筑。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

2.1建筑場(chǎng)地選擇

以往的研究表明，地震對(duì)建筑物造成很大的破壞，除了地震釋放的能量，引起的結(jié)構(gòu)性破壞之外，還有一個(gè)非常重要的原因就是建筑物場(chǎng)地的選擇。所以，為了提高建筑物的抗震性能，在修筑建筑物時(shí)，進(jìn)行地段選擇的時(shí)候，需要選擇有利的地段，避開對(duì)建筑抗震不利的地段。如果在工程建設(shè)中，實(shí)在不能避開這些地段的時(shí)候，則需要采取相應(yīng)的加固措施，以強(qiáng)化建筑物的抗震能力。

2.2建筑體型設(shè)計(jì)問題

通過對(duì)多次震害研究發(fā)現(xiàn)，外凸和凹進(jìn)部分比例過大，建筑平面形狀復(fù)雜，以及不對(duì)稱布置較懸殊等都會(huì)使建筑更易遭受破壞。建筑師在方案設(shè)計(jì)中講求建筑立面美觀和藝術(shù)創(chuàng)意，難以避免有時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的建筑體型。但是，我們?cè)诮ㄖw型設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量考慮抗震安全，選擇簡(jiǎn)潔規(guī)則的平面和空間形狀，減少外凸和內(nèi)凹尺寸，在體型上使結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布均勻，有利于抗震。

3 提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的措施

3.1按照抗震等級(jí)對(duì)梁、柱以及墻的節(jié)點(diǎn)采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施

為保證建筑鋼筋結(jié)構(gòu)的延性和承載力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要按照強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的原則進(jìn)行，對(duì)柱截面的尺寸進(jìn)行合理的控制，合理控制柱的軸壓比，嚴(yán)格按照構(gòu)造配件的要求，對(duì)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施尤其需要加強(qiáng)，提高節(jié)點(diǎn)的牢固性和抗震能力?，F(xiàn)代建筑物的主體常常使用的是鋼筋結(jié)構(gòu)，鋼筋結(jié)構(gòu)的延性和承載力越好建筑物的抗震能力越強(qiáng)。

3.2設(shè)置多道抗震防線

提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力，設(shè)置多道抗震防線很重要。即當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，在1個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系中，在地震作用下，一部分延性較好的構(gòu)件首先達(dá)到屈服，能夠擔(dān)負(fù)起第1道抗震防線的作用。而其他的構(gòu)件同樣起著抗震防護(hù)的作用，并且只有當(dāng)?shù)?道抗震防線屈服后，其他的抗震防線才會(huì)依次屈服。從而形成第1道、第2道、第3道甚至更多的抗震防線，當(dāng)之前的抗震防線失去作用后，另外的抗震防線便可以發(fā)揮作用。這種結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)建筑抗震性能的提高很有幫助。

3.3合理布局地震外力能量的傳遞吸收途徑

通過這樣的合理布局，能夠保證支柱、墻和梁的軸線處于同一平面，從而使得構(gòu)件雙向抗側(cè)力體系形成，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，支柱、墻和梁呈彎剪破壞。并且，塑性屈服盡量在墻的底部產(chǎn)生.此外，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，連梁宜在梁端塑性屈服，還應(yīng)具有足夠的變形能力，通過這種結(jié)構(gòu)和布局，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生的時(shí)候，在墻段充分發(fā)揮它的抗震作用前，按照強(qiáng)墻弱梁的原則加強(qiáng)墻肢的承載力，這樣使得墻肢的剪切應(yīng)力得以破壞。從而使得建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力得到了提高。

4 建筑師應(yīng)學(xué)習(xí)和應(yīng)用先進(jìn)的建筑抗震技術(shù)

4.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在建筑抗震領(lǐng)域的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的開始研究出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代的發(fā)達(dá)國(guó)家，在20世紀(jì)90年代被引進(jìn)到建筑學(xué)領(lǐng)域，其中的多主體仿真技術(shù)被更多地運(yùn)用于建筑學(xué)專業(yè)中疏散模擬（包括地震災(zāi)害下人員緊急逃生）的研究。日本作為地震多發(fā)國(guó)家之一，其地震多主體計(jì)算仿真技術(shù)一直位于世界前列，并取得成效，可通過運(yùn)算將地震發(fā)生時(shí)人員的逃生路徑，出口等以3d動(dòng)畫形式顯示出來(lái)。多主體仿真技術(shù)已成為建筑物內(nèi)人員逃生的訓(xùn)練工具和建筑物抗震評(píng)價(jià)手段，并為建筑設(shè)計(jì)提供完善的科學(xué)依據(jù)。

4.2 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與建立實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

日本名古屋的“mode螺旋塔學(xué)園”是一座自由形體的超高層建筑，在多震國(guó)家建造體型很不規(guī)則的建筑物無(wú)疑是一個(gè)挑戰(zhàn)，然而建筑設(shè)計(jì)通過建立實(shí)體模型和計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，使得設(shè)計(jì)方案可行實(shí)施：其抗震原理是把建筑物比作一顆樹木，基礎(chǔ)是樹根，內(nèi)桁架鋼管是樹干，外圍列柱是樹枝，邊梁和大梁是樹杈，設(shè)計(jì)中對(duì)各部位的屈服強(qiáng)度及塑性進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，調(diào)整數(shù)據(jù)參數(shù)達(dá)到抗震要求。當(dāng)建筑師在設(shè)計(jì)抗震重要性很高和建筑體型很特殊的建筑物時(shí)，對(duì)于建筑物的抗震設(shè)計(jì)實(shí)施可行性除了要以現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證，還要借助計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與建立實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3先進(jìn)抗震技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

在汶川大地震中，先進(jìn)抗震技術(shù)曾被使用。橡膠墊隔震減震技術(shù)是由中國(guó)工

程院院士、著名的隔震減震控制專家周福霖院士親自指導(dǎo)的。他是廣州對(duì)口援建的工程顧問，曾經(jīng)多次到汶川來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)施。這種隔震技術(shù)經(jīng)過三十年的理論、實(shí)驗(yàn)、使用和經(jīng)受地震的考驗(yàn)，現(xiàn)在已比較成熟。甘肅隴南武都縣三棟6層民用住宅使用了周院士90年代的第一代隔震技術(shù)，在汶川大地震中完好無(wú)損，連一條裂縫都沒有，房中人無(wú)強(qiáng)烈震感。而他在新疆設(shè)計(jì)的中國(guó)第一座鐵路防震大橋也經(jīng)受了2003年的伽師大地震，當(dāng)時(shí)在道路中斷的情況下，該大橋保證了救災(zāi)

物質(zhì)源源不斷開進(jìn)災(zāi)區(qū)。

汶川第二小學(xué)的設(shè)計(jì)施工還對(duì)目前國(guó)內(nèi)在工程建筑方面迫切需要解決的問題進(jìn)行了探索。目前國(guó)內(nèi)理論界大多是單棟建筑隔震技術(shù)，但工程實(shí)踐中，通常幾棟建筑挨在一起，地震發(fā)生后，建筑就會(huì)變形、互相擠壓，造成建筑和人員的損失。通過聘請(qǐng)專家多次進(jìn)行論證，最終汶川二小采取了簡(jiǎn)易可行、比較便宜、實(shí)際效果也較好的隔震過渡板。它既起到過道的作用，又起到建筑耗能的作用。過渡板能夠通過位移保持建筑物相對(duì)的獨(dú)立性，減少地震的能量，從而達(dá)到減震的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)概念設(shè)計(jì)的要求作出更全面、更符合實(shí)際的規(guī)定，尤其是增加“不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)”，使概念設(shè)計(jì)在建筑工程中的應(yīng)用更具體、明確地落到實(shí)處，掌握概念設(shè)計(jì)，有助于明確抗震設(shè)計(jì)思想，靈活與恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用抗震設(shè)計(jì)原則，做到合理地進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

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