建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震設(shè)計要點

劉建輝

（湖北建藝風(fēng)工程設(shè)計有限公司，湖北 荊州 434000）

我國是一個地震頻繁的國家。在近代，罕遇地震給國家和廣大人民群眾造成了巨大的傷害。因此，在工程建設(shè)中從決策到技術(shù)層面“抗震安全”越來越受到關(guān)注。雖然目前的建造工藝突飛猛進(jìn)，但對地震的研究水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還不能預(yù)測地震。雖然目前我國的地震烈度區(qū)劃圖在我國已經(jīng)做得非常精準(zhǔn)并且非常的科學(xué)，但它是基于有限的歷史數(shù)據(jù)。在我國，大型地震或特大型地震有時也會出現(xiàn)在低烈度地區(qū)。同時，地震發(fā)生時，地震動的三要素存在較大不確定性，即使在同一地區(qū)，不同類型的地面運(yùn)動在地震過程中對建筑物的破壞也不盡相同；地震還存在震級、傳播路徑、震中距離和震源機(jī)制等許多非確定因素，給地震研究帶來了很多困難。

1 抗震設(shè)計的意義

地震活動是一種很難準(zhǔn)確預(yù)測的自然災(zāi)難，以現(xiàn)在的技術(shù)手段不可能準(zhǔn)確地對地震活動做出預(yù)測。但是依據(jù)現(xiàn)實條件，提前采取防護(hù)手段也是一種非常好的預(yù)防手段。對于非選擇性、危險性大的地震活動，如何用科學(xué)的理念和技術(shù)來預(yù)防地震的損害、來減少地震造成的各種損失?，F(xiàn)在，世界上絕大部分的國家都有各自的建筑抗震設(shè)計規(guī)范。小型地震不會對建筑結(jié)構(gòu)造成損害，中型地震可以做到對建筑物進(jìn)行加固建筑物仍然可以使用，在大型地震建筑物不會倒塌保證人員的安全。這一抗震設(shè)計原則得到了廣泛的認(rèn)可和推廣，極大地提高了建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。受到地震災(zāi)害影響過程中，如果建筑物的使用功能和所采用的結(jié)構(gòu)布置不協(xié)調(diào)，那么結(jié)構(gòu)體系的抗震性能難以得到有效利用。當(dāng)出現(xiàn)破壞時，新建的建筑費用要比維修舊建筑的費用高。從經(jīng)濟(jì)成本來講，是非常不合算的，所造成的經(jīng)濟(jì)損失是無法估計的，這是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要任務(wù)。

2 高層建筑常見結(jié)構(gòu)類型

2.1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)以框架梁、柱為主要承受荷載和地震作用構(gòu)件。梁、柱等構(gòu)件自重輕、易于標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)定形，因此框架結(jié)構(gòu)具有節(jié)省材料、空間布置靈活、便于實施裝配式等優(yōu)點?？蚣芙Y(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，水平地震作用下易產(chǎn)生較大層間位移，因此最大適用高度受到較大限制，以抗震設(shè)防烈度6度為例，一般不得超過60m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)變形形態(tài)是典型的剪切型，結(jié)構(gòu)豎向體型布置時，重點需要控制層間側(cè)向剛度比和受剪承載力比，避免出現(xiàn)軟弱層和薄弱層。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)以剪力墻為抗側(cè)力構(gòu)件，具有整體性好、側(cè)向剛度大等特點，能適用較高的建筑高度。但是結(jié)構(gòu)延性較差，與框架結(jié)構(gòu)相比，空間布置受剪力墻最大間距的限制。剪力墻布置宜使結(jié)構(gòu)規(guī)則、均勻、具有適宜性的側(cè)向剛度，平面上宜雙向布置使兩個主軸方向剛度均勻分布，豎向宜上下連續(xù)避免造成剛度突變。另外，由于疊合錯洞墻的應(yīng)力分布復(fù)雜，在實際設(shè)計中應(yīng)盡量避免門窗洞口上下錯開，確實無法避免時，應(yīng)特別注意洞口周圍的受力分析計算和加強(qiáng)措施。

3 房屋結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計原則

3.1 簡化原則

結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗得知，在抗震設(shè)計過程中，所設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式越簡單，傳力越清晰明了，其抗震性能也越高，而且簡單的抗震結(jié)構(gòu)在進(jìn)行力學(xué)性能計算時，其計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性也越高。對此，在應(yīng)用設(shè)計中，可以結(jié)合實際情況適當(dāng)簡化房屋抗震結(jié)構(gòu)計算模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力途徑，這樣能夠有效提升房屋建筑對建筑地震作用力的承受能力，全面提高房屋建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震性能。

3.2 整體性原則

展開建筑抗震設(shè)計時，設(shè)計內(nèi)容不只是針對某一個建筑內(nèi)的某一個部位，而是將抗震設(shè)計貫穿到整個設(shè)計過程中，從而提高建筑整體的抗震性能。在具體設(shè)計過程中，需要從整體性設(shè)計出發(fā)，使其滿足各大指標(biāo)要求。對各種可能影響結(jié)構(gòu)抗震性的影響因素進(jìn)行分析，借助數(shù)字模型對于結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，以此來提升結(jié)構(gòu)本身的抗震性。而且對于構(gòu)件需滿足其抗震構(gòu)造措施的要求，避免應(yīng)力集中等問題的出現(xiàn)，從而提高結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 規(guī)則性原則

建筑規(guī)則性原則內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下2方面：1）在建筑設(shè)計期間，需要沿著建筑物豎向均勻布置建筑造型和結(jié)構(gòu)，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結(jié)構(gòu)變形的情況。2）建筑平面比較規(guī)則。平面內(nèi)結(jié)構(gòu)布置比較均勻，使建筑物質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào)，限制質(zhì)量與剛度之間的偏心。

4 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理

進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的在于，在地震災(zāi)害出現(xiàn)時，能夠降低災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失。從目前的應(yīng)用情況來看，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計并不滿足抗震要求，并且結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，降低了結(jié)構(gòu)的耗能能力。另外，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，并對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計。

4.2 缺少可靠的驗證方式

結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗，進(jìn)行抗震設(shè)計內(nèi)容合理性驗證時，經(jīng)常使用到的檢驗方法是：1）使用抗震模型來開展模擬檢測；2）在地震發(fā)生后，對建筑完好情況進(jìn)行檢驗；3）進(jìn)行地震危害問題的分析。施工技術(shù)體系成熟度的增加，使得建筑工程內(nèi)容的復(fù)雜度也在提升，若是直接進(jìn)行抗震試驗，很難得到可靠的反饋結(jié)果。因此，借助BIM技術(shù)、數(shù)字技術(shù)來建立建筑工程的三維模型，進(jìn)行模型的抗震試驗，以此得出建筑的抗震等級，為抗震設(shè)計內(nèi)容調(diào)整提供數(shù)據(jù)參考。從實際應(yīng)用情況來看，受預(yù)測技術(shù)成熟度的影響，不同模擬軟件得到的模擬結(jié)果也存在不同，這也導(dǎo)致評估結(jié)果不一定與實際完全相符。所以，在地震發(fā)生后，應(yīng)進(jìn)行建筑工程地震震害檢查，例如，對混凝土結(jié)構(gòu)工程的整體性進(jìn)行檢查，包括：建筑物的整體外觀、沉降觀測、沉降差、沉降速率、建筑整體垂直度、整體位移及受震后易損部位的檢查等。并且，根據(jù)檢測的結(jié)果，研究地震對建筑物產(chǎn)生的影響和危害情況，為以后的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計積累寶貴的經(jīng)驗。

5 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計

5.1 對二道防線的措施

本工程剪力墻作為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的第一道防線，第二道防線為鋼筋混凝土柱與外框鋼筋混凝土梁組成的鋼筋混凝土框架，為保證第二道防線的可靠性，采取如下措施：1）在盡可能控制經(jīng)濟(jì)性能并不影響建筑功能的前提下，采取控制柱軸壓比、增大柱截面與加大外框梁截面的方式以提高外框架的抗側(cè)剛度，增加外框架的剪力分擔(dān)比。2）通過框架剪力按0.2V0與1.5Vf，max調(diào)整的方式，提高外框柱強(qiáng)度儲備，保證二道防線安全。

5.2 針對剪力墻的加強(qiáng)措施

為增強(qiáng)剪力墻的受力性能，改善剪力墻的延性，采取如下措施：1）嚴(yán)格控制加強(qiáng)區(qū)墻體在重力荷載代表值下的軸壓比在0.6以下，對樓板洞口周邊的剪力墻適當(dāng)加厚。2）在較長墻肢中設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口，以減小單片墻肢的長度和剛度。3）底部加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，提高角部墻體的約束邊緣構(gòu)件配筋率，提高加強(qiáng)區(qū)墻體的承載力和延性。4）嚴(yán)格控制剪力墻截面的剪應(yīng)力水平，適當(dāng)提高底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻水平鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載力。5）底部樓板洞口周邊剪力墻加強(qiáng)平面外墻肢約束，以提高其墻體穩(wěn)定能力。6）在不影響建筑功能的情況下，剪力墻設(shè)置邊框柱，并安規(guī)范要求設(shè)置暗梁。

5.3 依據(jù)抗震標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范平面及豎向設(shè)計

平面規(guī)則與建筑物的穩(wěn)定性也存在一定的聯(lián)系，這是設(shè)計人員在設(shè)計過程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長度不宜過長，不宜采用角部重疊或細(xì)腰形的平面布置。因此，結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)力求簡單、規(guī)則、對稱，避免剛度、質(zhì)量和承載力分布不均勻。對于有較多凹凸口的復(fù)雜形狀平面要進(jìn)行特殊設(shè)計或采用一定的補(bǔ)救措施，以最大限度地保證建筑的穩(wěn)定性。對于抗震高層建筑的結(jié)構(gòu)豎向布置，應(yīng)避免過大的外挑和收進(jìn)，宜規(guī)則、均勻，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度也應(yīng)該做到上小下大均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。

5.4 計算模型和整體分析方法

高層建筑內(nèi)力和變形計算應(yīng)當(dāng)采用能夠合理反映結(jié)構(gòu)受力特性的計算模型。一般情況下應(yīng)建立空間三維的整體計算模型，對于復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)還應(yīng)采用多種力學(xué)模型進(jìn)行分析比較，確保分析結(jié)果的可靠性。高層建筑結(jié)構(gòu)的計算模型應(yīng)根據(jù)實際計算精度的需要，充分考慮不同工況對各種荷載效應(yīng)的影響，如施工過程對重力荷載效應(yīng)影響、不同風(fēng)向及風(fēng)向角對風(fēng)荷載效應(yīng)的影響、雙向水平地震的耦合等。對于需要考慮結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)、材料非線性的情況，應(yīng)相應(yīng)采取時程分析、彈塑性分析予以補(bǔ)充計算分析。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，還應(yīng)認(rèn)真分析判斷力學(xué)模型的合理性和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.5 變形假定

進(jìn)行重力荷載和多遇地震作用計算分析時，在幾何非線性的影響可忽略不計的前提下，通常采用小變形假定簡化計算。對于剛重比較小的高層建筑結(jié)構(gòu)，可以采用內(nèi)力和變形增大系數(shù)修正小變形假定下的線性計算結(jié)果的方法，近似反映二階附加效應(yīng)。在進(jìn)行罕遇地震作用的計算分析時，對結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)補(bǔ)充相應(yīng)的彈塑性變形驗算，確保實現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計指標(biāo)。

6 結(jié)語

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，抗震設(shè)計屬于重要的設(shè)計內(nèi)容之一，借助可靠的抗震設(shè)計，能夠有效提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，降低地震發(fā)生時出現(xiàn)坍塌的概率。需要注意的是，所有的抗震設(shè)計內(nèi)容需要嚴(yán)格遵守相應(yīng)的建設(shè)規(guī)范，同時做好結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計工作，以此來提高建筑工程的綜合性能，延長使用壽命。