新時(shí)期土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)策略

李 騰

大理電力設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，云南大理 671003

近年來，由于全球信息化水平的不斷提升，人們能接觸到的與地震有關(guān)的訊息也越來越多，在這樣的背景之下，人們對于建筑自身所體現(xiàn)出的抗震性能的關(guān)注程度也越來越高。對于本文所討論的問題來說，土木工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上所體現(xiàn)出的抗震性能是整體建筑抗震性能的根本。新的時(shí)期的新的要求，根據(jù)現(xiàn)狀對土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)策略進(jìn)行研究是非常有必要的；同時(shí)，抗震設(shè)計(jì)也應(yīng)全過程的在土工工程中有所體現(xiàn)，本文將在后續(xù)內(nèi)容中進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

1.1 結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量簡單

對于土木工程結(jié)構(gòu)來說，簡單明了的形狀能輔助設(shè)計(jì)人員更迅速的計(jì)算出整體結(jié)構(gòu)的受力情況，從而更好地保證抗震設(shè)計(jì)的精確性。相反的，如果土木工程在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，這樣的狀況不但會導(dǎo)致數(shù)據(jù)計(jì)算將變得更為復(fù)雜，地震對建筑物所帶來的損壞程度也會相應(yīng)上升。結(jié)合這兩點(diǎn)內(nèi)容，土木工程在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)應(yīng)該是簡約且有效的，以此來避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)對后續(xù)工作產(chǎn)生的影響。

1.2 整體結(jié)構(gòu)要科學(xué)合理

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的科學(xué)性和合理性將對建筑的抗震性能產(chǎn)生直接的影響，從這一點(diǎn)來說，在針對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格按照建筑物的實(shí)際情況和建設(shè)要求對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。土木工程結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)連接件之間都應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性和可靠性，而針對基礎(chǔ)、樓蓋、柱體等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)能在保證這些結(jié)構(gòu)自身剛度的基礎(chǔ)上提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能降低地震對建筑的影響

為了提升建筑物的抗震性能，大部分工程都會在基礎(chǔ)與柱體之間加設(shè)一個(gè)隔離地震層，并通過這一設(shè)置來達(dá)到抗震的效果。為了進(jìn)一步增強(qiáng)建筑物的抗震性能，施工單位可以通過在建筑物頂端加設(shè)“反擺”的方式來抵消地震所產(chǎn)生的作用力，進(jìn)而減少地震對建筑物內(nèi)部所造成的損壞。

2 抗震設(shè)計(jì)方法

2.1 抗震結(jié)構(gòu)選擇

底部剪力法是現(xiàn)階段工程結(jié)構(gòu)確定過程中最為常用的一種計(jì)算方法，這一方法主要是在地震反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)上，以工程結(jié)構(gòu)底部的總地震剪力與等效單質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用相等來確定結(jié)構(gòu)總地震作用的。同時(shí)，這一方法是有一定的應(yīng)用條件的，因此，在對抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)主要選擇高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，或近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)。

2.2 不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的處理

針對不規(guī)則的建筑、甲類建筑及高度范圍有所限制的建筑來說，抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要更為復(fù)雜，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。簡單來說，時(shí)程分析法就是對結(jié)構(gòu)動力方程直接進(jìn)行積分求解的一種動力分析方法。這一分析法的應(yīng)用將能在展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)全過程的基礎(chǔ)上，對地震過程中不同構(gòu)件進(jìn)入彈塑性變形階段的內(nèi)力和變形狀態(tài)進(jìn)行展示，設(shè)計(jì)人員則可以結(jié)合分析計(jì)算結(jié)果找出建筑結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部分。

2.3 土層加固處理

建筑基層的穩(wěn)定性是影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的主要因素之一，對于這一點(diǎn)來說，如果建筑物所處區(qū)域?yàn)檐浲翆樱敲词┕と藛T就要先對建筑基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，以此來保證地面建筑的抗震性能。對于這一工作的展開來說，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先進(jìn)行地質(zhì)勘察，掌握建筑所在區(qū)域的地基構(gòu)造，進(jìn)而提升其牢固性。

3 抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 抗震設(shè)計(jì)要求

3.1.1 抗震設(shè)防烈度

對于甲類建筑來說，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)地震動參數(shù)對其地震作用進(jìn)行計(jì)算。對于乙類建筑，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)Ⅵ度設(shè)防進(jìn)行計(jì)算。若乙類建筑處于Ⅰ～Ⅲ類場地上，那么這些建筑則不需要進(jìn)行計(jì)算，若乙類建筑處于Ⅳ場地上，且屬于超高層建筑Ⅶ～Ⅺ設(shè)防時(shí)，那么設(shè)計(jì)人員就應(yīng)按照設(shè)防烈度進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2 考量地震作用方式

在對抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合地震作用特點(diǎn)對土木工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行考量。如果建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度之間存在明顯的不對稱或不均勻的情況，此時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)著重對地震水平作用力對建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響進(jìn)行分析。當(dāng)建筑屬于Ⅺ度設(shè)防時(shí)，設(shè)計(jì)人員則應(yīng)結(jié)合地震在豎向上的作用力與水平方向上的作用對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行考量。

3.1.3 地震作用計(jì)算方法

對于大部分結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的建筑，設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用振型組合反應(yīng)譜計(jì)算法、彈性動力時(shí)程法等對地震作用進(jìn)行計(jì)算，而當(dāng)建筑自身在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜或存在質(zhì)量與剛度沿豎向分布不均勻的情況時(shí)，設(shè)計(jì)人員就應(yīng)使用補(bǔ)充彈塑性動力時(shí)程法進(jìn)行地震作用的分析和計(jì)算。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

對于土木工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的展開來說，設(shè)計(jì)人員首先要保證的就是依照建筑設(shè)計(jì)要求來完成這一工作，同時(shí)，在針對建筑高度等進(jìn)行考量的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免這些數(shù)值超出國家標(biāo)準(zhǔn)的情況出現(xiàn)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)及時(shí)的根據(jù)建筑現(xiàn)場狀況對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)依照以下規(guī)定來展開工作：首先，在針對建筑結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)、非荷載作用進(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用彈性法來保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其次，在進(jìn)行計(jì)算復(fù)核的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以符合建筑實(shí)際狀況的計(jì)算簡圖為依據(jù)，運(yùn)用三維空間分析法，采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同力學(xué)模型來完成這一工作。最后，對于建筑結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)來說，設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過施工模擬計(jì)算來對建筑結(jié)構(gòu)剛度及重力荷載的形成過程進(jìn)行展示。

3.3 層間位移限值

對于高層建筑來說，在風(fēng)力與地震的共同作用下，建筑層與層之間很有可能會出現(xiàn)位移，通過對層間位移角的限制，這樣的狀況將能得到很好的控制。結(jié)合我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來說，鋼結(jié)構(gòu)的層間位移限值為1/200～1/500，鋼混結(jié)構(gòu)的層間位移應(yīng)在1/400～1/700。設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步的對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善。

4 提升土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有效性的策略

4.1 場地選擇

針對建筑物抗震能力的設(shè)計(jì)是建立在場地選擇恰當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上的，如果建筑場地本身就存在基礎(chǔ)不穩(wěn)、土質(zhì)松軟等問題，那么即使設(shè)計(jì)人員能保證設(shè)計(jì)方案的完善性，建筑物在抗震性能上的表現(xiàn)也難以達(dá)到建筑要求。總體來說，建筑場地應(yīng)盡量選擇地勢平坦、開闊的區(qū)域，以此來保證抗震設(shè)計(jì)方案能更好的發(fā)揮作用。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)選擇

對于建筑結(jié)構(gòu)的選擇來說，建筑企業(yè)應(yīng)結(jié)合以下幾點(diǎn)內(nèi)容來進(jìn)行分析：

4.2.1 土木工程的載重范圍

在抗震設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對建筑材料的變形情況進(jìn)行觀察，以此來確保抗震設(shè)計(jì)方案能進(jìn)一步的提升建筑的穩(wěn)定性和安全性。

4.2.2 建筑結(jié)構(gòu)平面的設(shè)置

建筑在平面和立面上的設(shè)置是影響建筑施工準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)之上，相關(guān)人員應(yīng)按照規(guī)定嚴(yán)格的對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和管理，通過數(shù)據(jù)的精確度來保證實(shí)際施工過程中不會出現(xiàn)誤差。

4.2.3 材料的硬度和強(qiáng)度

建筑材料自身的硬度和強(qiáng)度也是影響建筑抗震性能的主要因素之一，對于這一特性來說，施工方在對建筑材料進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)盡量選擇在硬度和強(qiáng)度上表現(xiàn)比較好的材料，以此來避免因?yàn)椴牧闲巫兌绊懻w建筑的穩(wěn)定性和抗震性能。

4.3 設(shè)置多重抗震防線

多重抗震防線指的是：一個(gè)由若干個(gè)延性較好的分體系組成、且由延性較好的構(gòu)件連接起來進(jìn)行協(xié)同工作的抗震結(jié)構(gòu)體系。通過這一體系的應(yīng)用，如果第一道防線在地震作用下遭到破壞，第二道、第三道防線將依次接替第一道防線發(fā)揮抗震作用。這樣的處理方式能夠極大程度的避免建筑物在地震過程中出現(xiàn)損壞、坍塌的情況，從而更好的保證人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。在實(shí)際的工作過程中，施工單位應(yīng)盡量選擇質(zhì)量優(yōu)良的材料來完成多重抗震防線的設(shè)置，同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證多重抗震防線設(shè)置部件選擇的合理性，以此來保證這一抗震體系能更好的發(fā)揮出預(yù)期效用。

4.4 保證布局的科學(xué)性

合理的建筑結(jié)構(gòu)布局能夠有效地減少地震能量，結(jié)合這一理論，在土木工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先對地震可能導(dǎo)致的建筑位移進(jìn)行考量，通過對這一因素的預(yù)測和分析，設(shè)計(jì)人員則可以進(jìn)一步的對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以此來保證建筑結(jié)構(gòu)能夠很好的削弱地震作用。對于地質(zhì)硬度較大的土木工程建設(shè)來說，設(shè)計(jì)人員可以通過對建筑下層位置移動延性比的計(jì)算和分析來提升這一類建筑的抗震性能。

5 結(jié)語

綜上所述，在對土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，本文主要結(jié)合抗震設(shè)計(jì)方法、抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容對具體的抗震設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了分析，最后一部分則針對提升抗震設(shè)計(jì)方案有效性的方法做了研究。總的來說，建筑物的抗震性是衡量建筑質(zhì)量的主要因素之一，設(shè)計(jì)人員必須通過合理的方法來完成抗震設(shè)計(jì)工作，保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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