建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

林堅(jiān)洪

提 要：本文主要針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)展開(kāi)了分析，對(duì)建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震薄弱的部位作了詳細(xì)的概述，并給出了一系列提高混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的措施，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑框架；抗震設(shè)計(jì)；分析

近年來(lái)，隨著我國(guó)地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生，建筑抗震設(shè)計(jì)成為了我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)新的重要發(fā)展方向。但是由于實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)缺乏經(jīng)驗(yàn)，建筑抗震設(shè)計(jì)存在著一定的薄弱環(huán)節(jié)，是需要相關(guān)的工作人員給予足夠的重視，并采取有效措施提高建筑抗震的性能，以減輕地震災(zāi)害對(duì)建筑的破壞。

1 混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位

1.1 從震害中找出結(jié)構(gòu)薄弱部位

某次地震中，多層混凝土框架教學(xué)樓的倒塌，使我們對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查，混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害大致如下：6、7度區(qū)，底層柱上下端出現(xiàn)斜裂縫，并且柱頭比柱腳更厲害。8、9度區(qū)，底層柱上下端保護(hù)層混凝土脫落，箍筋拉脫，柱心混凝土被壓碎，縱筋壓成燈籠狀。二層柱端及底層梁端也出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂。在地震中倒塌的框架結(jié)構(gòu)，估計(jì)也是底層柱上下端先出現(xiàn)斜裂縫，最后被折斷的，只不過(guò)整個(gè)過(guò)程時(shí)間很短。不難判斷：框架結(jié)構(gòu)薄弱層在底層，底層柱是薄弱構(gòu)件，底層柱的上下端是最薄弱的部位。震害同時(shí)表明：在底層柱中存在某些比較薄弱的柱，地震作用下，這些柱的柱端首先出現(xiàn)斜裂縫，最先形成塑性鉸，使整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，導(dǎo)致底層柱逐根被擊破，引起連續(xù)倒塌。

1.2 從結(jié)構(gòu)分析中確定結(jié)構(gòu)薄弱部位

混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震有其特性，與帶有剪力墻的其他混凝土結(jié)構(gòu)相比，框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小，變形能力強(qiáng)。對(duì)抗震有利的是吸收地震總能量少，不利的是抗側(cè)力能力差。框架唯一的豎向構(gòu)件——柱的側(cè)向剛度比剪力墻的墻肢小得多，比梁板組成的樓層平面剛度也小很多。地震通過(guò)地層土晃動(dòng)框架樓房，剛度大而且質(zhì)量集中的各樓層就會(huì)前后左右來(lái)回移動(dòng)，產(chǎn)生樓層水平地震剪力，這些力由梁傳給柱。結(jié)構(gòu)的整體變形主要是各樓層按一定的振型和周期往復(fù)側(cè)移。柱本身剛度較小，其豎向變形被動(dòng)地隨各樓層。梁屬于樓層的一部分，變形較小。框架的水平地震力和側(cè)移變形主要來(lái)自梁板，而抗側(cè)力和側(cè)移主要靠柱。在結(jié)構(gòu)分析中，若忽視板對(duì)梁剛度的影響是不現(xiàn)實(shí)的，尤其是一起現(xiàn)澆的梁板。相對(duì)于梁來(lái)說(shuō)，柱是薄弱構(gòu)件。因此，“強(qiáng)柱弱梁”便成為框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則之一。

框架結(jié)構(gòu)底層柱托起整棟樓房，除了承受整棟樓全部垂直力外，還要承受地震產(chǎn)生的水平力。結(jié)構(gòu)分析顯示：底層任何一根柱的軸力、剪力及彎矩都比上層柱大，底層柱比上層柱更容易被破壞。底層柱上下端彎矩最大，成為整個(gè)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大的部位，也就是最薄弱的部位。不難理解：為什么地震時(shí)，首先出現(xiàn)裂縫的總是底層柱上下端。各樓層抗剪承載力分析結(jié)果表明，底層抗剪承載力最小，驗(yàn)證了底層是抗震薄弱層。底層柱既是框架結(jié)構(gòu)抗震的“中流砥柱”，又是薄弱構(gòu)件，“強(qiáng)柱”的重點(diǎn)應(yīng)該是加強(qiáng)底層柱的抗震承載能力。

2 提高混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的措施

加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位的抗震能力，是提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能的有效手段。針對(duì)上述薄弱部位，建議混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取如下加強(qiáng)措施。

2.1 底層設(shè)計(jì)為加強(qiáng)層

地震中整體倒塌的房屋，大都是由于底層支承結(jié)構(gòu)破壞造成的。如何提高底層支承結(jié)構(gòu)的抗震能力，是房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)共同的問(wèn)題。砌體結(jié)構(gòu)加厚底層墻厚，提高砂漿及砌塊的強(qiáng)度等級(jí)。混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)底層設(shè)計(jì)為加強(qiáng)層，對(duì)墻厚及配筋都有特殊要求。混凝土框架結(jié)構(gòu)的底層是薄弱層，也應(yīng)該設(shè)計(jì)為加強(qiáng)層，采取有效的加強(qiáng)措施。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)超過(guò)十層，加強(qiáng)層可擴(kuò)展到第二層。

2.2 加大底層柱截面及提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)

混凝土構(gòu)件的承載能力主要取決于構(gòu)件的截面、混凝土強(qiáng)度等級(jí)及配筋。加大框架底層柱截面及提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，不僅能提高其承載能力，也是控制柱軸壓比最直接最有效的措施，對(duì)提高柱的塑性變形能力和框架抗倒能力都十分有利。

加大底層柱截面不僅增加柱本身的側(cè)向剛度，也增加了整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，有效地控制結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形。底層柱截面大于上層柱，整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度下大上小對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利。但不宜太懸殊，而應(yīng)平穩(wěn)過(guò)渡，防止剛度突變或薄弱層轉(zhuǎn)移。上下柱軸心宜對(duì)齊，減小偏心。底層各柱受力不一樣，截面大小也不一樣。一般按軸力大小先設(shè)定截面，經(jīng)計(jì)算后再作調(diào)整，若發(fā)現(xiàn)薄弱柱，則加大其截面。框架結(jié)構(gòu)縱橫抗傾覆比值，一般與房屋縱橫平面尺寸成正比。控制房屋高寬比及限用單跨框架，都是對(duì)橫向而言。因此，柱截面尺寸橫向大于縱向?qū)Y(jié)構(gòu)抗倒塌是有利的。

2.3 底層室內(nèi)地面處雙向設(shè)基礎(chǔ)系梁

有地下室的框架結(jié)構(gòu)，其上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板頂面。無(wú)地下室的框架結(jié)構(gòu)，無(wú)論單獨(dú)柱基礎(chǔ)深淺，都在室內(nèi)地面附近處雙向設(shè)基礎(chǔ)系梁，系梁頂面就是上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。

2.3.1 鎖定框架上部結(jié)構(gòu)嵌固在基礎(chǔ)系梁頂

柱下單獨(dú)基礎(chǔ)側(cè)面和上面的回填土，經(jīng)過(guò)夯實(shí)后成為地層土的一部分。地震時(shí)這部分土對(duì)基礎(chǔ)的土壓力和基底摩擦阻力共同作用下，使基礎(chǔ)與地震波動(dòng)的地層土一起移動(dòng)，相當(dāng)于地震通過(guò)土層緊緊“握住”柱基礎(chǔ)來(lái)晃動(dòng)整個(gè)框架上部結(jié)構(gòu)。地下柱在四周土壓力作用下，地震時(shí)也隨地層土一起移動(dòng)。地震破壞的底層柱腳，都在地面以上看得見(jiàn)的部位，而基礎(chǔ)頂面柱最下端是否破壞，尚無(wú)調(diào)查報(bào)告。這表明土體對(duì)柱不僅約束其變形，還能起到嵌固作用。

2.3.2 控制底層柱的高度

框架樓房一般底層都需要較大的使用空間，底層的層高及柱高比其它層高。若底層柱嵌固在基礎(chǔ)頂面，則柱高還要加上室內(nèi)外高差及基礎(chǔ)埋置深度。基礎(chǔ)系梁設(shè)在室內(nèi)地面處，可以雙向卡住底層柱，使其高度減少到最小，這是加強(qiáng)框架薄弱層和薄弱構(gòu)件抗震能力的有效措施。減小底層柱高，可以增加底層的側(cè)向剛度，提高底層的抗剪承載力。底層側(cè)向剛度的增加，還可以減少整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形，對(duì)結(jié)構(gòu)抗倒塌十分有利。

3 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

某工程為五層混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓，平面尺寸54.6m×18.3m。抗震設(shè)防烈度7度（0.10g），框架抗震等級(jí)為三級(jí)。本工程在室內(nèi)地面處設(shè)置了基礎(chǔ)系梁，加大了底層柱截面并提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí)，但尚未在底層柱端增加抗剪斜筋，底層依然按抗震等級(jí)三級(jí)設(shè)計(jì)。為了對(duì)比有無(wú)基礎(chǔ)系梁對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震作用，建立兩種框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型：（1）室內(nèi)地面處設(shè)基礎(chǔ)系梁，（2）無(wú)基礎(chǔ)系梁。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用SATWE計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)地震災(zāi)害頻繁的發(fā)生，抗震性能的提高對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全有著極大的幫助。綜上所述，本文就建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行了分析，在闡述了建筑結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位的基礎(chǔ)上，給出了一系列的提高措施，相信對(duì)有關(guān)方面的需要能有一定幫助。

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