建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)的作用及措施

李世雷

（太原富力城房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山西太原 030000）

0 引言

為了進(jìn)一步改善房屋結(jié)構(gòu)抗震性能，本文以某房屋主建筑工程為例，對(duì)該工程的建筑框架結(jié)構(gòu)及參數(shù)尺寸進(jìn)行調(diào)整。該調(diào)整方案以剛度比、建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)作為優(yōu)化工具，通過參數(shù)數(shù)值計(jì)算，加強(qiáng)縱向抗震性能，綜合各項(xiàng)因素，確定參數(shù)控制方案[1]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，本文提出的增加混凝土墻體厚度、混凝土翼墻厚度兩種方案，剛度比均在1.3 左右，符合抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，對(duì)此類型房屋建筑抗震性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有一定的幫助。

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》（GB 50011—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”[2]。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)過一般檢查和維修后繼續(xù)使用。

2 建筑工程設(shè)計(jì)的總體要求

在進(jìn)行建筑工程設(shè)計(jì)的過程中，首先確定項(xiàng)目的施工場(chǎng)地，對(duì)于中小型的工程，應(yīng)該首先明確其抗震的設(shè)防烈度，如果符合要求，則進(jìn)一步進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，對(duì)于重要的建設(shè)項(xiàng)目而言，需要通過地震部門進(jìn)行烈度鑒定，根據(jù)建筑的重要性差異進(jìn)行等級(jí)劃分，不同的建筑應(yīng)用差異性的抗震措施，以確保實(shí)際的抗震性能效果，在明確建筑的平面形狀、結(jié)構(gòu)體系以及材料的基礎(chǔ)上，做好一系列的分析計(jì)算，確定抗震設(shè)計(jì)的可行措施，同時(shí)也需要對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及細(xì)節(jié)構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在地震的作用下，建筑受到破壞會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞力，深入分析研究抗震理論可知，在工程設(shè)計(jì)的過程中，充分利用客觀規(guī)律，能夠強(qiáng)化建筑的抗震效果。一般地震發(fā)生時(shí)，破壞力以及抵抗力之間會(huì)產(chǎn)生相互抵消作用，一旦發(fā)生地震，就會(huì)引發(fā)地面運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生場(chǎng)地的土地變形、坍塌以及液化，建筑作用力會(huì)衍生出次生災(zāi)害，作為承受地震作用的另一方建筑，其選址的位置、布局、構(gòu)造以及結(jié)構(gòu)類型、動(dòng)力特征等各種因素也會(huì)對(duì)最終的抗震效果產(chǎn)生影響，因而在進(jìn)行選址時(shí)，需要把握好各項(xiàng)影響因素，在綜合統(tǒng)籌的基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)[3]。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)

3.1 抗震設(shè)計(jì)的重要性

近年來，我國(guó)城市地震發(fā)生較為頻繁，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并且對(duì)人們的人身安全造成了威脅。從房屋建筑結(jié)構(gòu)角度來看，當(dāng)前大部分房屋建筑設(shè)計(jì)缺少抗震性能的優(yōu)化，以建筑建設(shè)基本要求為主，因抗震建筑建設(shè)技術(shù)落后，剛度控制不佳，導(dǎo)致地震災(zāi)害對(duì)人們的生活造成較大影響。隨著城市化的快速發(fā)展，城市人口密集度將持續(xù)增加，樓房建筑占據(jù)比例越來越高。為了打造便利的生活條件，很多樓房建筑以“底商+住房”結(jié)構(gòu)為主，在底層設(shè)置了底商，以便人們購(gòu)買生活必備品。所以，如何加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，減少地震帶來的危害，成為當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亟待解決的重要問題[4]。

3.2 抗震設(shè)計(jì)基本原則

3.2.1 簡(jiǎn)化性

簡(jiǎn)化房屋建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)提升建筑抗震性能幫助較大。因此，在將抗震設(shè)計(jì)融入到房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中時(shí)，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)，避免過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)。對(duì)于本文研究的底商型房屋建筑，需要預(yù)留足夠的活動(dòng)空間，從設(shè)計(jì)技術(shù)和性能提升兩個(gè)角度出發(fā)，改善建筑抗震性能。

3.2.2 抵抗性

建筑抵抗性是保證抗震性能的關(guān)鍵，要求合理控制建筑結(jié)構(gòu)中各個(gè)部位的剛度，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合力學(xué)分析，檢驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)建筑遭遇地震時(shí)，加強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)受力平衡，以此抵御地震帶來的破壞。

3.2.3 整體性

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)全面，將建筑整體作為設(shè)計(jì)對(duì)象，僅提升某一部位的抗震性能無法達(dá)到預(yù)期效果。所以，要求科學(xué)且全面地分析各項(xiàng)影響因素，根據(jù)建筑所處地區(qū)實(shí)際情況，針對(duì)存在的震害提出抗震優(yōu)化策略。

4 抗震設(shè)計(jì)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)前期的震害調(diào)查

據(jù)調(diào)查，我國(guó)城市大部分房屋建筑以3 層砌體結(jié)構(gòu)為主，為了創(chuàng)造生活便利條件，在1 層設(shè)置了底商或者車庫(kù)。這兩種建筑中，縱向一側(cè)無墻體頗多，選取混凝土作為墻體施工材料，打造梁柱結(jié)構(gòu)。然而，此結(jié)構(gòu)中柱截面偏小，與其項(xiàng)對(duì)應(yīng)的墻面為磚砌體墻。除了第1 層以外，從第2 層開始向上數(shù)的其他樓層均采用常規(guī)砌體施工。從建筑結(jié)構(gòu)布局角度來分析，此類型房屋建筑的上層建筑與下層建筑墻體不對(duì)齊，沿著豎向方向墻體存在不連續(xù)特點(diǎn)[5]。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，部分房屋雖然未倒塌，但是大部分房屋都出現(xiàn)了不同程度的損壞，導(dǎo)致居民無法正常在房屋中活動(dòng)。例如，某商住房屋建筑，在遭受地震后，1層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞最為嚴(yán)重。該建筑1 樓的梁柱結(jié)構(gòu)利用混凝土打造，呈現(xiàn)“L”型，建筑的背面布設(shè)了砌體墻，其他樓層為常規(guī)建設(shè)。從結(jié)構(gòu)分布來看，一層建筑較其他樓層建筑結(jié)構(gòu)更為薄弱，穩(wěn)定性較差，容易在地震時(shí)發(fā)生垮塌。

4.2 設(shè)計(jì)方案

對(duì)于首層是底商或者車庫(kù)的房屋建筑，往往通過加強(qiáng)橫墻承重來提高建筑穩(wěn)定性，忽略了縱向抗側(cè)力構(gòu)件有效處理，導(dǎo)致建筑整體抗震性能薄弱。為了解決此問題，本文將此類型建筑看作多層砌體房屋，盡可能簡(jiǎn)化房屋建筑結(jié)構(gòu)，從技術(shù)層面和剛度控制層面出發(fā)，提出可行性較高的抗震性能提升策略。

4.2.1 基于技術(shù)層面的設(shè)計(jì)

考慮到房屋建筑的縱向抗震性能薄弱，提出縱向抗震結(jié)構(gòu)處理技術(shù)方案：①無論是底商還是車庫(kù)，位于一層的建筑通行門軸線的處理非常重要，以抗震墻砌體設(shè)計(jì)要求，合理布設(shè)1 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在縱向增加抗震墻數(shù)量，確保上墻體框架與下墻體框架能夠?qū)R，檢查梁柱對(duì)齊情況，嚴(yán)格按照建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，有效控制建筑二層側(cè)向剛度與沿著軸線處的一層框架結(jié)構(gòu)剛度比值。②采用均勻布設(shè)方法，調(diào)整1 層建筑的軸線混凝土抗震墻，從原有的不均勻分布調(diào)整為均勻分布，要求以軸線為參照對(duì)象，兩側(cè)對(duì)稱布置。如果1層建筑為單開門建筑，則以側(cè)向剛度作為調(diào)整對(duì)象，重新布設(shè)1 層側(cè)向剛度體系，從而避免地震期間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。③以外縱墻底層混凝土構(gòu)件作為優(yōu)化對(duì)象，其與橫向墻體建立連接，打造整體穩(wěn)定性較強(qiáng)的建筑結(jié)構(gòu)。其中，抗震墻體和梁柱框架為重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象。

4.2.2 基于剛度控制層面的設(shè)計(jì)

為了提升建筑墻的抗震性能，提升軸線豎向剛度顯得尤為重要，要求嚴(yán)格按照建筑抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)豎向剛度比設(shè)置，以位于底層框架中的抗震墻作為主要設(shè)計(jì)對(duì)象。依據(jù)震害調(diào)查結(jié)果可知，底部框架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用復(fù)合材料打造混合結(jié)構(gòu)，不利于建筑抗震性能的提升。為了優(yōu)化此部分設(shè)計(jì)，本研究利用以下剛度比計(jì)算公式對(duì)建筑抗震墻的剛度比進(jìn)行計(jì)算分析。

式中：K1——房屋建筑底層剛度；K2——房屋建筑2 層剛度；∑Kω——混凝土抗震墻側(cè)向剛度；∑Kf——位于底層的框架側(cè)向剛度；∑Kbω——位于底層的抗震墻側(cè)向剛度。

5 工程案例

5.1 工程概況

本文以某房屋建筑工程為例，根據(jù)抗震需求，設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防等級(jí)為丙類。該房屋為7 層建筑，建筑體系采用砌體結(jié)構(gòu)布設(shè)。其中，1 層作為車庫(kù)，2 層以上作為辦公場(chǎng)所，采用混凝土現(xiàn)澆筑方法建設(shè)。該工程總建筑面積約為365m2，縱向長(zhǎng)度大約為19.25m，橫向建筑長(zhǎng)大約5.50m。由于工程建筑的縱向南側(cè)無墻體，很難滿足抗震性能需求。為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，本研究提出了兩種抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

5.2 房屋建筑抗震設(shè)計(jì)方案

5.2.1 平面設(shè)計(jì)

1 層建筑高度3.3m，其他樓層建筑高度均為3.0m，內(nèi)墻、外墻厚度分別為240、360mm，截住面尺寸大小為480mm×360mm。除了樓梯以外，一樓布設(shè)了5 個(gè)車庫(kù)。圖1 為建筑1 層平面設(shè)計(jì)。

圖1 建筑一層平面設(shè)計(jì)（單位:mm）

2—7 層建筑平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相同，均采用普通磚砌體墻布設(shè)，縱向框架結(jié)構(gòu)對(duì)齊，外側(cè)增加陽臺(tái)部分，除了建筑高度不同，其余參數(shù)尺寸與1 層平面設(shè)計(jì)中的參數(shù)數(shù)據(jù)相同。

5.2.2 加固設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，本文提出兩種加固設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。

方案一：在建筑兩端開間位置采取增加墻體厚度的方式改善抗震性能。其中，混凝土墻體厚度調(diào)整為500mm，即在原來基礎(chǔ)上增加了250mm。與此同時(shí)，在墻體上開洞，為庫(kù)房使用提供便利條件。該方案的缺點(diǎn)在于車庫(kù)數(shù)量減少了兩個(gè)，但是車庫(kù)使用舒適性明顯提升，入門空間得以擴(kuò)大。

圖2 加固方案（單位:mm）

方案二：與加固方案1 不同的是，在原有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加混凝土翼墻厚度，寬度大約300mm。該加固方案雖然可以保證車庫(kù)數(shù)量不減，但是入門空間變得狹小，降低了使用舒適度。

5.2.3 抗震性能測(cè)試分析

上文提到的兩種加固方案各具優(yōu)勢(shì)，對(duì)于其剛度比是否可以達(dá)到優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步計(jì)算分析，如果剛度比在1.0～1.5，則認(rèn)為此剛度比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，兩種加固方案的剛度比均在1.3 左右，符合1.0～1.5 標(biāo)準(zhǔn)。因此，可以根據(jù)建筑使用需求，從中選擇一種加固方案。

6 結(jié)語

房屋建筑抗震性能的提升是為人們提供安全活動(dòng)場(chǎng)所的關(guān)鍵。只有改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，才能夠減少地震災(zāi)害造成的損失，為人們的人身安全提供保障。本文以砌體房屋建筑為例，探究此類型建筑抗震性能提升策略。通過調(diào)查震害實(shí)際情況，提出抗震建筑結(jié)構(gòu)加固方案。計(jì)算結(jié)果表明，兩種加固方法均滿足抗震性能要求。決策中，可以根據(jù)建筑使用需求，確定最佳抗震設(shè)計(jì)方案。