建筑結(jié)構(gòu)抗震分析

于淼

摘 要：我國地處全球兩個最活躍的地震帶，東臨環(huán)太平洋地震帶。西部和西南部是歐亞地震帶經(jīng)過的地區(qū)。所以我國歷史上就是一個多地震的國家。而地震是人類社會面臨的一種嚴重的自然災(zāi)害之一，破壞力極強，人民的生命和財產(chǎn)損失也很大。地震專家對歷次地震的分析顯示，95%以上的人員傷亡是由房屋倒塌造成的，僅有不足5%的人員傷亡是直接由地震及地震引發(fā)的水災(zāi)、山體滑坡等次生災(zāi)害導致的。因此提高房屋的抗震性能對減少地震對人民生命財產(chǎn)安全的損失具有極其重要意義。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;概念設(shè)計

1現(xiàn)代抗震設(shè)計理念結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念經(jīng)歷了一系列變化，我國抗震設(shè)計規(guī)范（建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計）應(yīng)遵循三個層次的抗震設(shè)防目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒塌”

在這種設(shè)計思想下，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計經(jīng)歷了剛性設(shè)計、柔性設(shè)計、延性設(shè)計和結(jié)構(gòu)控制設(shè)計四個階段。通過對結(jié)構(gòu)非線性性能的研究，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中所采取的地震作用只能使結(jié)構(gòu)具有基本的屈服承載力。當發(fā)生較大地震時，結(jié)構(gòu)控制部分屈服后進入非彈性變形狀態(tài)，屈服后其非彈性變形能力可承受地震作用。從而形成了現(xiàn)代抗震設(shè)計理論，即結(jié)構(gòu)在一定的地震作用下發(fā)生屈服，屈服后達到非彈性變形狀態(tài)以耗散能量。合理選擇地震作用來確定結(jié)構(gòu)的屈服水平是現(xiàn)代抗震設(shè)計的主要內(nèi)容。首先以具有統(tǒng)計意義的峰值地震動加速度作為抗震強度指標值（中強地震），然后利用地震動加速度（小震）進行結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，從而確定結(jié)構(gòu)的屈服水平。采取了有效的抗震措施，以滿足與結(jié)構(gòu)設(shè)計相對應(yīng)的延性承載力。

2建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

地震的破壞是巨大的，因此建筑物的抗震性能顯得尤為重要。在抗震研究中，結(jié)構(gòu)抗震性能分析是一項重要內(nèi)容。非線性時程分析法和非線性靜力分析法是地震分析中常用的方法。結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的非線性時程分析方法（非線性動力響應(yīng)分析）經(jīng)歷了從基于層模型或單排梁柱模型的方法，到基于截面多彈簧模型的方法，再到基于截面纖維滯回本構(gòu)關(guān)系的纖維模型方法，使仿真精度不斷提高。其基本思想是通過一系列數(shù)值方法建立和求解動力方程，從而得到結(jié)構(gòu)在各個時刻的響應(yīng)。然而，由于地震特征和結(jié)構(gòu)特征的假設(shè)，使得計算結(jié)果具有不確定性。其主要價值在于研究地震作用下的一般反應(yīng)規(guī)律，而不是具體的反應(yīng)規(guī)律，并在抗震設(shè)計后對結(jié)構(gòu)進行驗算分析，以評價其抗震性能：非線性靜力分析法（Pushover）是近年來廣泛應(yīng)用的一種新的結(jié)構(gòu)抗震能力評價方法。該方法本質(zhì)上是一種靜態(tài)非線性計算方法，但在計算過程中引入了反應(yīng)譜。它的基本思路是先以某種方法得到結(jié)構(gòu)在地震作用下所對應(yīng)的目標位移，然后對結(jié)構(gòu)施加豎向荷載，并將表征地震作用的一組水平靜力荷載以單調(diào)遞增的形式作用到結(jié)構(gòu)上，在達到目標位移時停止荷載遞增，最后在荷載中止狀態(tài)對結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估，判斷是否可以保證結(jié)構(gòu)在該地震作用下滿足功能需求。

3結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

由于地震作用的隨機性、復雜性、間接性和偶然性，尤其在高層建筑中結(jié)構(gòu)自振周期、材料性能、阻尼變化和基礎(chǔ)差異沉降等因素的影響，使結(jié)構(gòu)在地震作用下表現(xiàn)出極大的復雜性和計算假定與實際情況的不符，且目前各國所制定的抗震設(shè)計規(guī)范差異較大，甚至反映在定性分析上其結(jié)論完全相反，使計算結(jié)果差距很大。因此，在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計上不能完全依賴計算設(shè)計，在很大程度上，結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的概念設(shè)計。概念設(shè)計即通過對建筑物的總體結(jié)構(gòu)體系進行控制，選用體型簡單、規(guī)則，平面對稱，抗側(cè)力體系的剛度和承載力上下變化連續(xù)、均勻的方案，設(shè)計出抗震性能良好的建筑。同時，概念設(shè)計還考慮以下因素：場地條件和場地土的穩(wěn)定性、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系及二者之間的錨拉、材料與施工等。[3]建筑物的體型是否對抗震有利是抗震設(shè)計首先遇到的問題。為此，應(yīng)做到以下幾點：（1）建筑形狀應(yīng)力求規(guī)則和簡單。通常認為簡單的平、立面圖形是方形或圓形的，而復雜的圖形是有凹角的，容易造成有應(yīng)力集中或變形集中的薄弱環(huán)節(jié)。如墨西哥城在1985年9月地震中，不少三角形建筑均遭到嚴重的破壞。從結(jié)構(gòu)角度而言，平面形狀是三角形的結(jié)構(gòu)迎風面較大，在水平風力作用下，它受力的效果，即抗彎曲變形和抗側(cè)移的能力比圓形、橢圓形、正方形、正多邊形、十字形、工字形、口字形等平面形式的高層建筑要弱很多，而使得建筑物安全性較差。

建筑結(jié)構(gòu)盡量對稱，盡可能滿足建筑豎向均勻性。均勻性問題存在于建筑的豎向布置中，布置不均勻的結(jié)果產(chǎn)生了剛度、強度的突變，引起豎向的應(yīng)力集中或在變形集中，以致在中小型地震中損壞，在大震時倒塌。例如。由于結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，上部結(jié)構(gòu)剛度與底層結(jié)構(gòu)剛度比較大，形成所謂“雞腿”建筑，地震時底層完全倒塌而上部結(jié)構(gòu)基本完好;結(jié)構(gòu)中部某一層剛度、承載力突變，則可能形成薄弱層或軟弱層，地震時這一層的塑性變形過大，超過結(jié)構(gòu)的變形能力或承載力，引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的嚴重破壞，樓層塌落，結(jié)構(gòu)倒塌;結(jié)構(gòu)頂部收進較多或頂部剛度很小，由于地震的鞭梢效應(yīng)使結(jié)構(gòu)頂部變形過大而導致破壞。

4性能的結(jié)構(gòu)抗震

設(shè)計思想隨著社會的不斷進步，人們逐漸認識到，在現(xiàn)代化充分發(fā)展的今天，再單純強調(diào)結(jié)構(gòu)在地震中不嚴重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)抗震的需要。在這樣的背景下，美國和日本學者提出了基于性能的抗震設(shè)計理念。基于性能的抗震設(shè)計的基本思想，就是要使設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在未來的地震發(fā)生時，能夠達到各種選定的性能目標，包括結(jié)構(gòu)進入非彈性階段后損傷控制目標。其基礎(chǔ)和關(guān)鍵工作是性能目標的確定，它包括設(shè)定地震水準、定義性能水準和選擇性能目標。如前所述，我國抗震設(shè)計規(guī)范提出了三個水準的抗震設(shè)防目標，這個設(shè)防目標包含了地震水準和性能水準，實際上就是一個性能目標，只不過目標單一，沒有可選擇性。因此可以說，抗震規(guī)范的設(shè)計方法已經(jīng)具有了基于性能的抗震設(shè)計思想的雛形。由于對結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的具體描述、相應(yīng)的計算方法、以及設(shè)計標準目前尚未明確，因此可以說，基于性能的抗震設(shè)計目前基本上仍停留在概念階段，在工程中廣泛應(yīng)用的條件還不成熟。但是，隨著人們對建筑產(chǎn)品要求的提高，各種新結(jié)構(gòu)、不規(guī)則結(jié)構(gòu)和超出規(guī)范適用范圍的結(jié)構(gòu)會逐漸增多，在沒有規(guī)范可供遵循的條件下，采用基于性能的抗震設(shè)計思想進行這些結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，并通過專家論證，是一個可行、有效的設(shè)計途徑。

5結(jié)束語

總之，在當前我國建筑行業(yè)發(fā)展的過程中，對建筑物進行相應(yīng)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計是很有必要的，這不僅可以使得整個工程項目施工的效益得到保障，還使得建筑物的安全性和穩(wěn)定性得到進一步的提升。不過，從當前我國建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的實際情況來看，其中還存在著許多的問題，為此我們還要在不斷的實踐過程中，來對其設(shè)計理念進行相應(yīng)的優(yōu)化和改進，并且嚴格根據(jù)工程施工的實際情況，來對其進行處理，從而使得建筑工程的施工質(zhì)量得到保障，促進我國建筑行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻

[1] 陳虎.結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計雜談[J].建材發(fā)展導向，2015，（09）

[2] 項本云.淺議建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計[J].中華民居，2015，（07）

[3] 張新培.基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的若干進展[J].四川建筑科學究，2016，（11）