建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)研究

王建軍

北京世聯(lián)君匯房地產(chǎn)顧問有限公司（100010）

0 前言

作為城市發(fā)展重要建設(shè)內(nèi)容的建筑工程，一定要確保施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤其是工程設(shè)計(jì)早期階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)具有極高的復(fù)雜性，容易出現(xiàn)很多交叉性問題，在確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性和穩(wěn)定性上有著極大難度。沒有抗震性能保證的建筑物是沒有使用年限可言的，所以有必要深入研究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)，最大化地確保建筑使用功能與效果。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)理念

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具體需要從概念與理論層面明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的價(jià)值與意義，在此基礎(chǔ)上探究房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震問題。不同的房屋建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與建筑整體抗震水平緊密相關(guān)，要從局部和整體分析建筑力學(xué)。不同的房屋建筑結(jié)構(gòu)面對(duì)地質(zhì)災(zāi)害時(shí)所受的影響是不同的，要從設(shè)計(jì)思維和工學(xué)理論這兩種不同的角度分析影響建筑結(jié)構(gòu)的因素，全面分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求[1]。根據(jù)各方因素明確定位、精準(zhǔn)辨別，用可靠性思維對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，進(jìn)而確定建筑結(jié)構(gòu)符合抗震設(shè)計(jì)理念和標(biāo)準(zhǔn)。

2 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

2.1 場地選擇不合理

建筑場地選擇與建筑抗震功能有著極大的關(guān)系，在設(shè)計(jì)階段的場地選擇環(huán)節(jié)要盡量選擇有利于抗震的場地，這對(duì)設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)性有著極高的要求，需要仔細(xì)勘察場地土質(zhì)情況，較軟的土地、易液化的場地、不均勻的場地都不符合要求，這些問題會(huì)成為影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的因素。嚴(yán)重情況就是未全面調(diào)查地質(zhì)信息，如若有頻繁的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生將直接影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性。

2.2 建筑材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

建筑材料通常以鋼筋混凝土為主，對(duì)于變形控制的處理方式是增加鋼筋混凝土截面，不過在實(shí)踐應(yīng)用中該方法的效果并不是很理想。所以需要嘗試其他不同的方法來增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但依然會(huì)給抗震設(shè)計(jì)造成一定影響。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)平面布置不合理

有關(guān)建筑規(guī)范規(guī)定中就建筑平面與立面的布置提出過明確的要求，即整潔性和規(guī)則性，盡量保持結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度布置的均勻性。但在現(xiàn)實(shí)情況中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足各方面設(shè)計(jì)美感要求時(shí)，容易降低建筑平面布置合理性，讓結(jié)構(gòu)的整體受力性能受到影響，這在設(shè)計(jì)過程中是可以避免的。

2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理

工程本身的復(fù)雜性和場地條件的多樣性很容易給設(shè)計(jì)人員造成影響，尤其是套用規(guī)范選取參數(shù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員往往作出不合理或錯(cuò)誤的參數(shù)選擇。如山區(qū)房屋建設(shè)三面地下一面地上的嵌固端計(jì)算，最難以確定的是嵌固端所在層數(shù)是否包括本層。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

3.1 合理選擇建筑地址

建筑選址的合理性在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物的安全性有直接影響。合理的選址能在很大程度上降低建筑物所受的地震的破壞。不同的土地和結(jié)構(gòu)帶給建筑結(jié)構(gòu)的影響是有差異性的，設(shè)計(jì)人員要致力于優(yōu)化土體性能，以此改造建筑結(jié)構(gòu)性能，避免建筑物出現(xiàn)變形問題[2]。所以建筑選址要盡量選擇已釋放地震能量區(qū)域，要擁有優(yōu)質(zhì)的土質(zhì)和平坦開闊的地勢(shì)，如無法從客觀上規(guī)避軟土地質(zhì)，就需要凸顯設(shè)計(jì)人員的專業(yè)能力，在房屋建筑工程抗震級(jí)別基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑物實(shí)際情況采用與之相對(duì)應(yīng)的加固措施，降低建筑結(jié)構(gòu)受到的地震影響。

3.2 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，選用的材料和結(jié)構(gòu)體系不同，表現(xiàn)出來的抗震性能也會(huì)有著較大的差異。在當(dāng)前的建筑工程結(jié)構(gòu)之中，主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，但是該結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)也較為明顯，在外力作用下容易出現(xiàn)脆性破壞、連續(xù)破壞等缺點(diǎn)。因此在施工中應(yīng)采用更好的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，從整體上優(yōu)化土木工程結(jié)構(gòu)，以獲得更高的抗震性能。以鋼結(jié)構(gòu)建筑為例，鋼結(jié)構(gòu)材料本身就是良好的彈性體，與工程力學(xué)基本假定相符。鋼結(jié)構(gòu)材料塑形與較好的彈性在抗震設(shè)計(jì)中得以充分發(fā)揮，在適度范圍中可承受一定的動(dòng)力荷載與變形，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能有效抵御地震帶來的作用。運(yùn)用高精度加工制作工藝可實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)連接，基于強(qiáng)連接弱桿件抗震設(shè)計(jì)原則強(qiáng)化房屋建筑抗震力和承載力[3]。

3.3 選用抗震性能建筑材料

具備抗震性能的材料在現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展過程中的應(yīng)用，為優(yōu)化建筑工程防震設(shè)計(jì)提供了新思路。在提升建筑工程結(jié)構(gòu)抗震性的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，合理選用抗震材料不僅能兼顧適用性和經(jīng)濟(jì)性，還能保證建筑工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性。傳統(tǒng)建筑工程抗震設(shè)計(jì)對(duì)于地震能力吸收的處理方法是將黏土和砂礫鋪設(shè)在建筑物底部，再結(jié)合瀝青材料從根本上改造建筑工程基底，這樣一方面能明顯提升抗震效果，另一方面還能強(qiáng)化建筑物整體穩(wěn)定性。另外，最好選擇較輕的材質(zhì)用于墻體或建筑圍欄，在消除地震危害的同時(shí)通過降低建筑物承載力來提升建筑物抗震性能。在現(xiàn)階段建筑材料市場中，建筑工程機(jī)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要研究內(nèi)容就是預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用。相比普通混凝土梁平均高度，某些建筑預(yù)應(yīng)力寬扁梁減少了將近30 cm，不但能擴(kuò)大建筑梁底標(biāo)高及空間，還能提升建筑結(jié)構(gòu)抗震性。

3.4 適當(dāng)增設(shè)抗震防線

一方面，科學(xué)合理地設(shè)置第一道地震抵御防線。就實(shí)質(zhì)角度來說，不管是設(shè)置還是選型，第一道防線要求不是很嚴(yán)格，豎向支撐墻或者偏小的填充墻就能起到承重的作用。可以嘗試較小的軸向壓縮設(shè)計(jì)，第一道防線不很適合用軸向壓縮力偏高的框架，不過就具體施工限制來說，選用一種框架系統(tǒng)就行了。這一框架支柱最為核心的要素就是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗側(cè)力，所以應(yīng)該選擇強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)方式[4]。另一方面，以安裝冗余組件的方式構(gòu)成多條抗震防線。通常情況下，建筑物所選用的都是雙重抗側(cè)力體系，具體有芯筒-框架、框架-支撐、框架-抗震墻和內(nèi)墻筒-外框筒這幾種。立足于水平地震測力選用墻體或支撐框架是較為適宜的抗震防線選擇。

3.5 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)垂直與水平設(shè)計(jì)

當(dāng)前我國以底框結(jié)構(gòu)、填墻框架這兩種建筑結(jié)構(gòu)為主，前者的上層建筑結(jié)構(gòu)容易在強(qiáng)震環(huán)境中被破壞，需重視建筑物抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化，通過提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來強(qiáng)化對(duì)振動(dòng)幅度的承受力。后者的建筑主體以鋼筋混凝土為主，容易在強(qiáng)震環(huán)境中發(fā)生剪切破壞，加之窗下墻的限制，還會(huì)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的短柱型剪切破壞，所以最好選用一體化的框架結(jié)構(gòu)來避免結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受地震影響。

3.6 重視對(duì)防震縫應(yīng)用

針對(duì)縱向與橫向設(shè)計(jì)的不規(guī)則問題，可通過增設(shè)防震縫來處理。設(shè)置防震縫要全面考慮建筑物設(shè)防烈度和外形等諸多因素，確保抗震縫兩側(cè)建筑物處于相互分離狀態(tài)，構(gòu)成一個(gè)有利于抗震的平面單體。具體設(shè)計(jì)原則有以下幾點(diǎn):一是基于對(duì)建筑物高度和抗震寬度關(guān)系的考慮，如框架結(jié)構(gòu)抗震縫寬度在高度＜15 m時(shí)最低為100 mm，高度＞15 m時(shí)要根據(jù)設(shè)防烈度的不同，6度、7度、8度、9度每增加高度5 m、4 m、3 m和2 m，宜加寬20 mm。二是抗震縫寬度設(shè)計(jì)要合理把握比例，如框架剪力墻結(jié)構(gòu)最好為框架結(jié)構(gòu)的70%。三是大型框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)及筒體結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)計(jì)寬度最好為框架結(jié)構(gòu)的一半且不低于100 mm。四是整體驗(yàn)算取保守值，例如兩側(cè)結(jié)構(gòu)類型不同或高度不同等，按寬縫結(jié)構(gòu)類型和較低房屋高度計(jì)算保守縫寬。

4 結(jié)語

要想讓建筑物擁有較好的抗震性能，需要設(shè)計(jì)人員合理使用技術(shù)手段，既要從理論與概念出發(fā)，也要結(jié)合實(shí)地勘察和實(shí)際施工情況分析，用最為簡單、對(duì)稱、高效的設(shè)計(jì)方法來提升建筑物的抗震能力，體現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)的價(jià)值。