淺談建筑結(jié)構抗震概念設計

彭 景， 李海燕， 周 磊

(貴州工程應用技術學院土木建筑工程學院，貴州畢節(jié) 551700)

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淺談建筑結(jié)構抗震概念設計

彭 景， 李海燕， 周 磊

(貴州工程應用技術學院土木建筑工程學院，貴州畢節(jié) 551700)

2015年5月15日，新修訂的強制性國家標準GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》發(fā)布，2016年8月1日起，全面實施2016年版的GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》。按照《2015年中央城市工作會議公報》以及其他黨和國家現(xiàn)行的有關文件，提高建筑標準和工程質(zhì)量是當前的主要工作目標之一，而提高建筑物的抗震性能則是促進這項工作目標順利完成的重要舉措。文章將闡述了抗震概念設計對提高建筑結(jié)構抗震性能的重要意義。

地震動參數(shù)區(qū)劃圖； 建筑抗震設計規(guī)范； 抗震概念設計； 建筑結(jié)構

《建筑抗震設計規(guī)范》中對抗震概念設計有明文解釋：根據(jù)地震災害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結(jié)構總體布置并確定細部構造的過程稱之為抗震概念設計[1]。根據(jù)抗震概念設計原則，進而根據(jù)抗震計算結(jié)果對建筑結(jié)構采取各種抗震措施，以達到建筑抗震的目標。

抗震概念設計的內(nèi)容包括但不局限于以下內(nèi)容：結(jié)構的抗震設防目標及分類、結(jié)構的抗震防線、結(jié)構的整體性、結(jié)構的平面規(guī)則性、結(jié)構的豎向規(guī)則性。

本文將逐一對以上內(nèi)容進行分析，以闡述其對建筑抗震性能的重要影響。

1 抗震概念設計

1.1 抗震設防目標及分類

根據(jù)《抗規(guī)》，建筑的抗震設防目標是：當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用，即小震不壞；當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用，即中震可修；當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震時，不致倒塌或發(fā)生危機生命的嚴重破壞[1]。以上內(nèi)容即三水準抗震設防目標。

根據(jù)建筑物(或建筑物的各區(qū)段)的重要性及其破壞后對社會、經(jīng)濟、人民生命財產(chǎn)安全的影響大小不同，適當?shù)膶⒔ㄖ镞M行抗震設防分類，以達到減小地震災害的損失且并不會過多地增加建筑工程的造價及工程難度。例如將涉及國家和社會公共安全的重大房屋建筑工程，列為需要進行特殊設防的建筑，簡稱甲類；將地震時使用功能不能中斷或需盡快回復的生命線相關建筑，列為需要提高設防標準的建筑，簡稱乙類[2]。如此即可更有針對性的完成建筑抗震設計，不會導致花過大的經(jīng)濟代價去建造一個臨時性的建筑設施，也不至于降低重要的建筑物的抗震性能。

國家標準GB 50223—2008中，將建筑工程分為甲乙丙丁四個類別[2]。伴隨著我國社會、經(jīng)濟的逐漸發(fā)展，我國對GB 50223—2008也將進行適時修訂。列如將所有二級、三級醫(yī)院的設防分類提高到乙類或甲類，對具有外科手術室或急診科的鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院也提高到乙類，對人員密集的大型公共設施也提高了抗震設防類別。

1.2 結(jié)構的抗震防線

為了保證結(jié)構在荷載下不致迅速破壞，結(jié)構與外部、結(jié)構內(nèi)部之間應由一定數(shù)量的有效多余約束(即結(jié)構的冗余度)。例如框架結(jié)構中的梁柱節(jié)點即為一個超靜定節(jié)點，當荷載作用大于一定數(shù)值時，會將其中一部分約束破壞，但由于還有其他約束的存在，結(jié)構仍然能保持其幾何不變。這就是結(jié)構多道防線的意義所在。

汶川地震中，映秀鎮(zhèn)漩口中心教學樓采用的是鋼筋混凝土框架結(jié)構，而附近的四層辦公樓和在建的宿舍樓則是采用砌體結(jié)構(圖1)[3]。眾所周知，鋼筋混凝土結(jié)構的抗震性能要好于砌體結(jié)構，其根本原因在于砌體結(jié)構的整體性不如鋼筋混凝土結(jié)構，但對砌體結(jié)構采取有效措施(鋼筋混凝土圈梁及構造柱、現(xiàn)澆樓蓋)后，能一定程度上增強砌體結(jié)構的整體性。

教學樓采用的框架結(jié)構只有一道防線，即鋼筋混凝土框架。采用砌體結(jié)構的辦公樓當中，砌體部分是一個結(jié)構單元，而鋼筋混凝土構造柱和圈梁則形成了另一個弱框架結(jié)構體系，則形成了約兩道防線。且砌體結(jié)構在鋼筋混凝土構造柱和鋼筋混凝土圈梁的約束下，延性和整體性大大提高。故而在強震下，砌體結(jié)構雖有破壞，但未倒塌。

(a) 主教學樓倒塌

(b) 附樓局部倒塌

(c) 辦公樓破壞不倒

(d) 砌體住宅破壞不倒圖1 汶川地震建筑震害照片

我國常規(guī)教學樓的平面布置方案如圖2所示。

圖2 教室平面示意

圖2(a)為單跨框架結(jié)構，此結(jié)構整體穩(wěn)定性較差，且僅有一道抗震設防防線。若對此結(jié)構平面進行改造，在走廊外側(cè)增加一排框架柱，且在適當部位的增設混凝土抗震橫墻作為第二道防線。圖2(b)為多跨框架結(jié)構，平面的抗震性能大大提高，且不影響建筑功能。

因此在結(jié)構設計中，應根據(jù)結(jié)構類型及建筑重要性等級(安全等級)，適度增設抗震防線，對提高建筑抗震性能是極其有益的。

1.3 結(jié)構的整體性

汶川地震中，沒有按照規(guī)范要求采取構造措施的砌體結(jié)構，其破壞程度和造成的損失是巨大的。究其原因，在于砌體結(jié)構的整體性不夠好，豎向構件提前失穩(wěn)破壞，導致梁板等水平構件墜落，后果不堪設想。倘若采用的是預制板而非現(xiàn)澆板，后果更加嚴重。

我國現(xiàn)行規(guī)范中，提出的構造柱及圈梁將有效提高砌體結(jié)構的整體性能進而提高其抗震性能。

1.4 結(jié)構的規(guī)則性

《抗規(guī)》中3.4.1條明確規(guī)定：不規(guī)整的建筑應按規(guī)定采取加強措施；特別不規(guī)則的建筑應進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；嚴重不規(guī)整的建筑不應采用[1]。

結(jié)構的規(guī)則性可分為平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性兩類。

平面不規(guī)則的類型可分為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則和樓板不連續(xù)。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則是指在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或曾經(jīng)位移)，大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍(此時樓層最大位移是最小位移的1.45倍，已達到一個較大值)[1]。這是從結(jié)構受力變形計算結(jié)果來分析的。凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)則屬于幾何不規(guī)則，主要體現(xiàn)在平面幾何尺寸和平面剛度急劇變化。例如一些酒店、辦公樓的某幾層或頂層，為形成大空間會議室、宴會廳等，則將樓板開了較大的洞口，造成平面不規(guī)則。

豎向不規(guī)則的類型分為側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)以及樓層承載力突變。側(cè)向剛度不規(guī)則是指某層的側(cè)向剛度相對上一層過小，或相對相鄰上三層平均值的80 %。豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)是指豎向抗側(cè)力構件，例如墻、柱以及支撐等，其內(nèi)力不能直接向下傳遞，則需要通過轉(zhuǎn)換構件向下傳遞。樓層承載力突變是指建筑結(jié)構樓層的層間抗剪承載力小于其相鄰上一層結(jié)構樓層的80 %。

以上為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則的主要項目，建筑形體和布置應依據(jù)抗震概念設計原則劃分為規(guī)則與不規(guī)則兩大類；對于具有不規(guī)則的建筑，針對其不規(guī)程的具體情況，明確提出不同的要求；應避免在工程設計中采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構布置方案。

在設計中，對于復雜不規(guī)則的建筑，還可以通過設置抗震縫來將一個結(jié)構整體化簡為多個規(guī)則的結(jié)構單元。但應盡量避免這種措施，因為在地震中，各結(jié)構單元之間由于變形不協(xié)調(diào)將產(chǎn)生碰撞破壞。

3 結(jié)論

抗震概念設計是建筑抗震設計的思想方針，是抗震設計的精髓。工程結(jié)構設計中，應將抗震概念設計放在第一位，從大方向上來把控整個設計過程，著重控制上文中的主要項目。這樣才能做到有的放矢，不必過高地采取措施，也不會造成隱患。

抗震概念設計是建筑抗震設計的關鍵出路，倘若方向不對，則會造成不必要的無用之功，甚至會造成不可預估的損失。只有將概念設計放在工程設計的第一階段，并以此來為建筑設計方案提供更多的支撐，將極大的提高我國建筑的抗震能力并取得顯著的社會效益。

建議剛參加工作的設計人員及土木工程專業(yè)的大學生應著重于抗震的概念設計，在此基礎上再繼續(xù)研習抗震構造措施，方可更好的實現(xiàn)建筑抗震設計。

[1] GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2] GB 50223-2008建筑工程抗震設防分類標準[S].

[3] 王亞勇，王言訶. 汶川大地震建筑震害啟示[J].建筑結(jié)構，2008，38(7)：1-6.

彭景(1987～)，男，研究生，高級工程師，研究方向為混凝土結(jié)構。

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[定稿日期]2017-05-22