建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的作用及措施

路 彤

（唐山地震監(jiān)測(cè)中心站，河北 唐山 063000 ）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，住房問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，建造了許多摩天大樓來(lái)解決住房問(wèn)題。因此，在建筑的設(shè)計(jì)和施工中，抗震性能十分重要，這部分一直是建筑師設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。抗震設(shè)計(jì)是在發(fā)生地震時(shí)保持高層建筑完整性的重要元素，因此，我們有必要充分了解建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的重要性以及建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。當(dāng)然，抗震設(shè)計(jì)必須符合結(jié)構(gòu)安全、可靠性和高經(jīng)濟(jì)效益的基本原則。抗震設(shè)計(jì)是基于科學(xué)合理的技術(shù)，必須確保在地震時(shí)抗震設(shè)計(jì)可以發(fā)揮作用，保證建筑物遭受地震之后經(jīng)過(guò)短時(shí)間的修繕工作就可以繼續(xù)使用，這大大降低維修成本，實(shí)現(xiàn)利益最大化。

1 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的基本要求

地震是目前受關(guān)注度較高的自然災(zāi)害。因建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)要求必須反映現(xiàn)實(shí)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，并且在建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足相關(guān)基本要求。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）給出了建筑物抗震性的“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求，“三水準(zhǔn)”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”[1]。當(dāng)發(fā)生第一設(shè)防烈度地震也就是低于本地區(qū)地震設(shè)防烈度的多遇地震時(shí)，其結(jié)構(gòu)在彈性變形階段，建筑物通常可以正常使用，建筑物大多不受損壞或不需維修就可以繼續(xù)使用。因此，在多遇地震中建筑物的極限承載力應(yīng)當(dāng)滿足驗(yàn)算條件，并且建筑物的彈性變形不得超過(guò)規(guī)定的彈性變形極限。根據(jù)地震強(qiáng)度，發(fā)生第二設(shè)防烈度地震時(shí)就是相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本設(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)為屈服狀態(tài)，進(jìn)入非彈性變形階段，可能形成局部損壞。但是，可以在經(jīng)過(guò)一般檢查和維修后繼續(xù)使用[2]。

2 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的原則

近年來(lái)，地震變得更加頻繁，人民和財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重影響，造成的一個(gè)非常重要的問(wèn)題是地震造成的建筑物倒塌。因此，從建造建筑項(xiàng)目起，應(yīng)該進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格評(píng)估。抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：①在構(gòu)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)，有必要選擇一種合適的測(cè)量方法來(lái)研究建筑項(xiàng)目薄弱層的塑彈性變形，例如靜力分析和動(dòng)力分析等方法。②設(shè)計(jì)時(shí)，將彈性過(guò)程分析法作為補(bǔ)充類測(cè)算措施。必須注意建筑結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力位移，還必須選擇不同的測(cè)算方法，確保測(cè)算建筑物內(nèi)力位移的準(zhǔn)確性。③在設(shè)計(jì)連體建筑物的過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)測(cè)量一個(gè)或多個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)的振型數(shù)，應(yīng)為單體數(shù)的至少9 倍，有效質(zhì)量系數(shù)為0.9 以上[3]。

3 建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的作用

3.1 提升建筑物的抗震能力

為了確保建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震能力，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：①在建筑結(jié)構(gòu)工程中，必須考慮到地基穩(wěn)定性因素，選擇適合于抗震性的地基，避免地基變形影響建筑物抗震功能；②同一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)工程單元要選擇性質(zhì)一樣的地基，必須將地基的最大潛力包括在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，發(fā)揮地基的抗震能力；③建筑結(jié)構(gòu)工程需要規(guī)則且對(duì)稱，目的是減少由于地震活動(dòng)引起的建筑物變形，并防止由于地震作用力集中而導(dǎo)致的建筑扭曲；④為了提高建筑結(jié)構(gòu)工程抗震性能，我們需要增加幾道抗震防線。同時(shí)，有必要明確建筑結(jié)構(gòu)工程的受力設(shè)計(jì)，防止建筑結(jié)構(gòu)工程的局部薄弱[4]。

3.2 降低地震對(duì)建筑的影響

降低地震對(duì)建筑的影響中，一種常見(jiàn)的方法是在建筑基礎(chǔ)和建筑主體之間添加隔震層，這樣可以有效減少對(duì)建筑物的潛在破壞。例如，在建筑物頂部添加一個(gè)“反擺”，“反擺”使建筑物和擺在地震中產(chǎn)生方向相反的位移，從而減小加速度，減小地震對(duì)建筑的作用。相關(guān)研究分析認(rèn)為，如果合理設(shè)置“反擺”，減少地震影響的概率可以達(dá)到65%，可以最大限度減少建筑物的受損程度。該方法已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛研究，在實(shí)際施工中也得到了應(yīng)用，并取得了優(yōu)異的效果。

3.3 保證建筑剛度

正確設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)工程抗震和明確建筑物剛度非常重要。因此，有必要充分考慮大量使用鋼筋混凝土，主要應(yīng)用是通過(guò)改善結(jié)構(gòu)來(lái)加固現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4 加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的措施

4.1 科學(xué)選擇結(jié)構(gòu)體系

為了確保建筑物的整體協(xié)調(diào)，必須科學(xué)地選擇結(jié)構(gòu)體系。通常，建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計(jì)概念要求以下兩個(gè)條件：①穩(wěn)定；②合適。通過(guò)選擇科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)工程體系來(lái)滿足結(jié)構(gòu)的變形和抵抗力要求。建筑物必須具有一定的剛度，才能在一定程度上承受自身的載荷，并有效防止變形；當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，才能對(duì)較大的地震力輔以緩沖，以防止對(duì)建筑物造成局部損壞。因此，在選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，必須要明確建筑物傳力的途徑和受力的計(jì)算，轉(zhuǎn)換層的使用應(yīng)盡量避免，這樣可以降低建筑物傾斜或局部受損的幾率，從而保護(hù)建筑物。

4.2 提升結(jié)構(gòu)延性

如果建筑物的抗震性低于地震等級(jí)，則由于脆性破壞很容易倒塌。因此，建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的延性并增加其強(qiáng)度。可以改進(jìn)以下內(nèi)容：①延性材料。如果使用延性材料在發(fā)生彈性變形或重復(fù)彈性變形時(shí)，延性不會(huì)有明顯下降。②桿件的延性。為了改善結(jié)構(gòu)的延性，應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)部件的桿件的延性，例如塑性變形、能量耗散等。③構(gòu)件的延性。某一個(gè)構(gòu)件發(fā)生塑性變形和消耗能量的能力，可以通過(guò)提高墻體或框架的延性來(lái)改善建筑結(jié)構(gòu)的整體延性。通常，建筑結(jié)構(gòu)的延性與其抵抗塌陷或塑性變形的能力有關(guān)。可以在設(shè)計(jì)中使用以下方法：①在平面上，增強(qiáng)突變處和轉(zhuǎn)角處之類的延性；②對(duì)于豎向，可以增強(qiáng)薄弱樓板延性；③增加首道抗震防線部分的構(gòu)件延性。

4.3 軸壓比和短柱的合理設(shè)計(jì)

在抗震設(shè)計(jì)中，必須減小柱的軸向壓縮比，并增加柱的橫截面尺寸。降低軸向壓縮比的目的是將柱放置在大偏心受壓狀態(tài)，以避免縱向受力的鋼筋沒(méi)有達(dá)到受拉屈服而導(dǎo)致混凝土被壓碎的情況。由于柱的剛性強(qiáng)延性差，結(jié)構(gòu)在地震的作用下容易被破壞，可以采用“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)的整體延性，增加地震耗能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4.4 提升結(jié)構(gòu)的整體性

①選用鋼作為支撐結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)中的一項(xiàng)新技術(shù)，但已在許多項(xiàng)目中使用。如貴州鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展中心樓，占地26,000 平方米，高24 層，建筑承板使用港靜線桁架，可以改善建筑物的完整性。高層建筑主要采用鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)，對(duì)建筑框架結(jié)構(gòu)的側(cè)面剛度產(chǎn)生積極的影響，可以提高整個(gè)高層建筑的強(qiáng)度，提高水平荷載。與純框架結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)支撐體系的穩(wěn)定性極佳，適合結(jié)構(gòu)支撐要求。使用環(huán)向密封同一平面，可以增加側(cè)向剛度，尤其是在地震負(fù)荷較高的地方效果更好。②抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。如果建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)形式，則可以使用鋼結(jié)構(gòu)來(lái)支撐建筑物的豎向負(fù)載和部分橫向負(fù)載。如果建筑物的結(jié)構(gòu)是多種框架結(jié)構(gòu)的形式，可以通過(guò)交錯(cuò)桁結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)上下樓層，從而提供單元設(shè)置靈活性。該結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)的平面中，梁柱的彎矩較小，側(cè)向位移較小。

4.5 規(guī)范建筑形體及構(gòu)件的布置規(guī)則

平面不規(guī)則主要類型為：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)，具體反映在結(jié)構(gòu)分析軟件結(jié)果的評(píng)估和確定中，如扭轉(zhuǎn)不規(guī)則體現(xiàn)在：位移系數(shù)不應(yīng)小于1.2 且不大于1.5，周期比對(duì)于A 級(jí)高度的建筑不應(yīng)大于0.9。豎向高度不規(guī)則的主要類型是：側(cè)向剛度不規(guī)則、抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變等。如果設(shè)計(jì)結(jié)果不滿足要求，則設(shè)計(jì)人員必須重新考慮和分析模型，以調(diào)整梁柱布置和截面，盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)則。

4.6 做好非結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

非結(jié)構(gòu)部件包括內(nèi)隔墻和外圍墻，其設(shè)計(jì)可以執(zhí)行以下步驟：①控制建筑框架和填充墻之間的連接，從而使填充墻成為主要建筑結(jié)構(gòu)的一部分。對(duì)于墻壁連接，可以使用柔性連接。②附著在建筑樓與屋面結(jié)構(gòu)的，必須做好非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接處理，以免在地震中造成損壞。③加強(qiáng)了幕墻裝飾膠合板與建筑物主體結(jié)構(gòu)的有效連接，并防止損壞貼面。

4.7 設(shè)置多道抗震防線

①科學(xué)選擇抵御地震的第一道防線。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，第一道防線設(shè)置和選型負(fù)擔(dān)比較小或者沒(méi)有，可以選擇一些比較小的填充墻和豎向支撐墻就可以承重。嘗試選擇盡可能小的軸向壓縮設(shè)計(jì)，通常具有較高軸向壓縮力的框架柱不適合第一道防線。但是，根據(jù)施工的約束，只能使用單一的框架系統(tǒng)，該框架的支柱是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗側(cè)力的主要因素，因此應(yīng)選擇“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)。②通過(guò)安裝冗余組件可以形成多條抗震防線。建筑物通常使用雙重抗側(cè)力體系：框架-抗震墻、芯筒-框架、內(nèi)墻筒-外框筒、框架-支撐。根據(jù)水平地震側(cè)力，可以依靠支撐或墻體等框架為主要抗震防線。

4.8 選擇合適的地基

自然環(huán)境非常重要，在不同的地質(zhì)條件下，建筑物對(duì)地震的反應(yīng)不同。在建造房屋之前，需要選擇適合各種自然環(huán)境的地基。強(qiáng)抗震性是地基最重要的選擇條件之一。在選擇地基時(shí)，需要考慮地基的穩(wěn)定性和埋置的深度。地基的穩(wěn)定性使其可以承受高層建筑的壓力而不會(huì)滑移，而埋置深度應(yīng)為建筑物的1/15，考慮到地下室的建造，還需要預(yù)留約500 米的深度。為了增加建筑物的抗震性，在建筑建造中需要設(shè)置多道防線就，可以采取許多方法來(lái)提高建筑物的抗震性。

4.9 強(qiáng)化建筑底層的抗震能力

根據(jù)與地震有關(guān)的數(shù)據(jù)，不難驗(yàn)證大部分建筑物倒塌是由于抗震性差所致。通過(guò)對(duì)底層建筑結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題分析和討論，可以集中在兩個(gè)方面：第一，底層框架可能無(wú)法滿足國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)要求，而是擴(kuò)充空間以滿足投資者的利益，通過(guò)中空設(shè)計(jì)增加銷售空間和收益，減少了底層設(shè)計(jì)中柱的應(yīng)用數(shù)量，降低了整個(gè)建筑物的抗震等級(jí)。第二，建筑物臨街問(wèn)題。一些建筑物經(jīng)常建設(shè)在街道旁邊。臨街部分主要旨在提高商業(yè)街使用的整體效率，大多數(shù)只有承重柱，沒(méi)有承重墻，因此建筑物承重能力大大下降。發(fā)生強(qiáng)烈地震，建筑物可能會(huì)因?yàn)橹螒?yīng)力過(guò)大導(dǎo)致斷裂，使建筑物向臨街方向傾斜或倒塌，發(fā)生較大事故。為了解決上述問(wèn)題，最佳解決方案是加固環(huán)建筑粱圈以及構(gòu)造柱的方式，以提高建筑抗震性能[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于中國(guó)是地震災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，因此建筑工程中必須重視建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計(jì)，以減少地震災(zāi)害造成的破壞，有效地確保人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，通過(guò)分析和整合與抗震設(shè)計(jì)有關(guān)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，有效提高建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震性能，保障中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。如何做好建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)值得我們不斷探索與研究的重要課題。