建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計研究

文/ 湯愛博、牛兆暉 青島拓界建筑設(shè)計有限公司 山東青島 266011

1、地震對建筑結(jié)構(gòu)破壞的特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)體系方面

采用“填墻框架的房屋結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面內(nèi)柱上端易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切型破壞；采用框架一抗震墻體系的房屋結(jié)構(gòu)，破壞程度較輕；采用“底框結(jié)構(gòu)體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用“填墻框架體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛槌ㄩ_式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；

1.2 剛度分布方面

矩形平面布置的建筑結(jié)構(gòu)，電梯井等抗側(cè)力構(gòu)件的布置當(dāng)存在偏心時，因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重；采用三角形、L形等不對稱平面的建筑結(jié)構(gòu)，同樣在地震作用因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重。

1.3 地基方面

在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高；地基土液化導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而引起上部結(jié)構(gòu)損壞或整體傾斜；建造在不利或危險地段的建筑工程，因地基破壞導(dǎo)致房屋損壞。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的基本周期與場地自振周期相近時，因共振效應(yīng)破壞程度將加重。

1.4 構(gòu)件形式方面

在框架結(jié)構(gòu)中，通常柱的破壞程度重于梁、板；鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會出現(xiàn)斜向或交叉裂縫；配置螺旋箍筋的混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到較大數(shù)值時，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；

2、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震設(shè)計

2.1 基礎(chǔ)性防震措施應(yīng)用

2.1.1 地基隔震

地基隔震是在建筑地基與土層之間設(shè)置緩沖層，以便在地震發(fā)生時減小建筑與土層之間的震動碰撞，實(shí)現(xiàn)對震能的有效吸收和反射作用，減小地震對建筑物的破壞。目前，我國最常使用的地基隔層為瀝青原料隔震層。

2.1.2 基礎(chǔ)隔震

基礎(chǔ)隔震是整個建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的關(guān)鍵，想要降低地震對建筑物的破壞，就必須要做好基礎(chǔ)隔震措施。在對建筑基礎(chǔ)采取抗震措施時，為了減小地震對上部結(jié)構(gòu)的破壞，需要在建筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)位置接觸處設(shè)置隔震層，防止地震力由地基處向上部結(jié)構(gòu)傳播，降低地震對建筑上部結(jié)構(gòu)的破壞。基礎(chǔ)抗震裝置一般采用混合隔震裝置、基底滑移隔震裝置和夾層橡膠隔震裝置等。

2.1.3 間層隔震

間層隔震是為了吸收地震的沖擊余力而設(shè)置的，間層隔震的有效設(shè)置能夠?qū)φ鹆M(jìn)行再次削減，以達(dá)到降低地震對建筑的破壞作用。間層隔震一般都安裝在原始結(jié)構(gòu)層上，其實(shí)我國最早使用的抗震措施，具有施工操作簡單的優(yōu)勢。

2.1.4 懸掛隔震

懸掛隔震是通過懸掛的方式，將建筑物全部或部分結(jié)構(gòu)脫離地面，從而在地震出現(xiàn)時，降低地面震動與建筑物之間的震力作用。目前，此種抗震措施多用于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中，收到了較為不錯的抗震效果。

2.2 選擇有利于抗震的建筑平面和立面布置

2.2.1 建筑的體型要簡單，平立面布置宜規(guī)則

體型簡單和規(guī)則的建筑，受力性能明確，設(shè)計時容易分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際反應(yīng)及其內(nèi)力分析，且結(jié)構(gòu)細(xì)部的構(gòu)造也易于處理。所以這類結(jié)構(gòu)遭遇地震后其震害相對都較輕。反之，建筑體型不規(guī)則，平面上曲出凹進(jìn)，立面上高低錯落。易于形成剛度和強(qiáng)度上的突變，引起應(yīng)力集中或變形集中，也容易形成薄弱環(huán)節(jié)，往往造成比較嚴(yán)重的危害。

2.2.2 建筑的平、立面剛度和質(zhì)量分布力求對稱

建筑的剛度和質(zhì)量分布不對稱、即使在地面平動分量作用下也會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，從而造成比較嚴(yán)重的危害。所以，建筑或其獨(dú)立單元應(yīng)力應(yīng)求剛度、質(zhì)量的對稱，使其質(zhì)心與剛心重合或偏心很小。

2.2.3 建筑的質(zhì)量和剛度變化要均勻

建筑的質(zhì)量和剛度沿豎向分布往往是不均勻的、例如，由于建筑的豎向收進(jìn)，地震時收進(jìn)處上、下部分振動特性不同，易于在收進(jìn)處的橫隔層（樓板）產(chǎn)生應(yīng)力突變，使豎向收進(jìn)的凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中；又如，在建筑物底層設(shè)置上下不連續(xù)的抗震墻（ 如底層框支抗震墻）、使建筑物沿豎向的不均勻性；框架的填充墻在層高范圍內(nèi)未連續(xù)設(shè)置或存在樓層的錯層，使框架形成短柱。也易于造成危害。設(shè)計時對上述質(zhì)量和剛度沿豎向分布不連續(xù)的情況應(yīng)加以限制、采取必要的構(gòu)造措施。

2.3 軸壓比和短柱設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性，需要減小柱的軸壓比，增大柱的截面尺寸。減小柱軸壓比的主要目的是為了使柱子處于大偏心受壓狀態(tài)，避免縱向受力鋼筋未達(dá)到受拉屈服而混凝土卻被壓碎的情況發(fā)生。由于柱的剛性強(qiáng)度比較高，使得整體結(jié)構(gòu)的延性就差，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時，結(jié)構(gòu)吸收地震能量和耗散能量就少，使得結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生破壞。所以在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常采用強(qiáng)柱弱梁設(shè)計方法，且梁具有很好的延性，可以發(fā)生適量的變形，就會減少柱子進(jìn)入屈服強(qiáng)度的可能性，且在設(shè)計時可以適當(dāng)增大軸壓比。此外，許多高層建筑底層的柱子長細(xì)比小于4，但不能依據(jù)長細(xì)比小于4則判斷是短柱。因為短柱的確定因素是柱的剪跨比，只有柱的剪跨比小于等于2才是短柱。

2.4 結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計

為了保證建筑物有效的抵抗地震災(zāi)害，設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中要遵循強(qiáng)弱協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，對剪、節(jié)點(diǎn)、柱等的位置強(qiáng)度進(jìn)行合理的提升，并對梁、彎、拉力中心等部位的強(qiáng)度進(jìn)行削弱。為了避免節(jié)點(diǎn)過早的被破壞，設(shè)計人員需要使柱端的承載力大于梁端的承載力。與此同時，設(shè)計人員要根據(jù)具體的規(guī)范要求對各個構(gòu)建的荷載進(jìn)行合理范圍內(nèi)的調(diào)整。

結(jié)語：

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計對于建筑整體的應(yīng)用性能具有較大的影響，所以在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)在建筑場地選擇到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中，使抗震設(shè)計符合相應(yīng)的要求。建筑結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計是保證建筑物穩(wěn)定的基礎(chǔ)，也是對人們生命及財產(chǎn)安全的有效保障。