淺析建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

淺析建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)地震是一種強(qiáng)烈的自然現(xiàn)象，其是威脅人類安全的主要自然災(zāi)害之一。為避免它給人類帶來大的災(zāi)害，這就要求結(jié)構(gòu)工程師不僅要運(yùn)用好抗震計(jì)算分析，而且要重視結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文是在探討建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法總結(jié)和發(fā)展。由于我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，分布廣、頻率高、強(qiáng)度大、震源淺，是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。近幾年來，各國歷次地震對(duì)人類造成了嚴(yán)重災(zāi)害，通過總結(jié)大量的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，促使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不斷發(fā)展。建筑抗震的實(shí)踐表明，一個(gè)地震區(qū)建筑物，如果沒有良好的建筑總體布置方案，單靠結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和抗震的構(gòu)造措施，在較強(qiáng)烈的地震作用下，仍是難以取得建筑抗震的較好效果，甚至減輕不了建筑物的震害程度。因此，只有建筑設(shè)計(jì)與建筑抗震設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來，建筑抗震設(shè)計(jì)水平才能達(dá)到一個(gè)比較完善的高度。一、目前我國抗震設(shè)計(jì)中存在的不足通過多年對(duì)于建筑抗震設(shè)計(jì)的研究，我國逐漸形成了自己的一套較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)方法而且日益成熟，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要我們今后加以完善。首先，與國外規(guī)范相比，我國抗震規(guī)范在對(duì)關(guān)系的認(rèn)識(shí)上還存在一定的差距。美國UBC規(guī)范按同樣原則來劃分延性等級(jí)，但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級(jí)，在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級(jí)。這幾種抗震思路都是符合規(guī)律的，而目前我國將地震作用降低系數(shù)統(tǒng)一取為2．86，而且還把用于結(jié)構(gòu)截面承載能力設(shè)計(jì)和變形驗(yàn)算的小震賦予一個(gè)固定的統(tǒng)計(jì)意義。另外，我國規(guī)定的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)也存在一定的問題。該設(shè)防目標(biāo)對(duì)甲類、乙類、丙類這三類重要性不同的建筑來說，并不都是恰當(dāng)?shù)?。最后，由于不同類別建筑的不同重要性，不宜再籠統(tǒng)的使用以上同一個(gè)性態(tài)目標(biāo)。此外，還應(yīng)該考慮建筑所有者的不同要求，選擇不同的設(shè)防目標(biāo)，從而做到在性態(tài)目標(biāo)的選擇上更加靈活。二、結(jié)構(gòu)抗震的可靠度在結(jié)構(gòu)所有的功能中，首先需要滿足的是結(jié)構(gòu)的安全性。由于在震源的發(fā)生機(jī)制、地震波的傳播路徑和場地條件中存在很多不確定性，以及在循環(huán)荷載作用下的性能和分析計(jì)算模型中的不確定性，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)非常隨機(jī)，并且安全性只能采用抗震可靠度進(jìn)行描述。按照可靠度理論，服役期內(nèi)結(jié)構(gòu)的抗震可靠度同時(shí)體現(xiàn)了環(huán)境和結(jié)構(gòu)兩方面的、特征，采用可靠度作為設(shè)防參數(shù)在概念上似乎更充分一些，在方法上也比較統(tǒng)一。這種方法實(shí)質(zhì)上是認(rèn)為工程結(jié)構(gòu)自身以及所處環(huán)境存在著不確定性，使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在遭受未來可能發(fā)生的地震作用時(shí)絕對(duì)安全既不可能也不經(jīng)濟(jì)，人們使用這些結(jié)構(gòu)時(shí)必須承受一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此需要確定一個(gè)可以接受的安全度水準(zhǔn)，這個(gè)水準(zhǔn)被定義為目標(biāo)可靠度，它可以作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的參數(shù)，所有抗震結(jié)構(gòu)實(shí)際的抗震可靠度應(yīng)該不低于規(guī)定的目標(biāo)可靠度。由于結(jié)構(gòu)抗震可靠度中包含了場地可能遭遇的各種強(qiáng)度地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響，以目標(biāo)可靠度進(jìn)行抗震設(shè)防時(shí)就不必再去區(qū)分“小震、“中震”和“大震”，從而也就避免了為解決該問題所產(chǎn)生的各種困難。結(jié)構(gòu)抗震可靠度的大小同結(jié)構(gòu)服役期限的長短有關(guān)，它不僅描述了結(jié)構(gòu)建造完成前規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等過程中的安全性，而且考慮了結(jié)構(gòu)服役過程的安全影響因素，因此采用目標(biāo)可靠度進(jìn)行抗震設(shè)防既可以完成基于生命的抗震設(shè)防目標(biāo)，也可以實(shí)現(xiàn)基于性態(tài)的設(shè)防目標(biāo)，對(duì)于具有不同服役功能的工程結(jié)構(gòu)，只需適當(dāng)調(diào)節(jié)目標(biāo)可靠度的具體取值，就可以方便地實(shí)現(xiàn)多級(jí)抗震設(shè)防的目標(biāo)了。三、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)所謂“建筑抗震概念設(shè)計(jì)”是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，是進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。地震動(dòng)是一種隨機(jī)振動(dòng)，有難于把握的復(fù)雜性和不確定性，要準(zhǔn)確預(yù)測建筑物所遭遇的特性和參數(shù)，目前尚難做到。在結(jié)構(gòu)分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等諸多因素，也存在著不確定性。因此抗震問題不能完全依賴計(jì)算結(jié)果。而是應(yīng)該立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的工程抗震基本概念，往往是構(gòu)造良好結(jié)構(gòu)性能的決定性因素。抗震概念設(shè)計(jì)主要有如下幾點(diǎn)：3.1建筑選址。避免抗震危險(xiǎn)地段，選擇對(duì)抗震有利的場地、地基和基礎(chǔ)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動(dòng)情況和工程地質(zhì)的有關(guān)資料，作出綜合評(píng)價(jià)，宜選擇堅(jiān)硬土或開闊平坦密實(shí)均勻的中硬土等有利地段；避開軟弱土、液化土、河岸和邊坡邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層等不利地段；同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上，也不宜部分采用天然地基，部分用樁基，當(dāng)?shù)鼗熊浫躔ば酝?、液化土、新近填土或?yán)重不均勻土層時(shí)，宜加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度。3.2合理的平立面布置。建筑物的動(dòng)力性能基本上取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局簡單合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，從而確保房屋具有良好的抗震性能。建筑物的平、立面布置宜規(guī)則、對(duì)稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，避免樓層錯(cuò)層。對(duì)體形復(fù)雜的建筑物合理設(shè)置變形縫，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施，嚴(yán)格控制建筑物的高度和高寬比。3.3結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置。結(jié)構(gòu)選型根據(jù)建筑的重要性、設(shè)防烈度、房屋高度、場地、地基、基礎(chǔ)、材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件比較綜合確定。單從抗震角度考慮，作為一種好的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)具備下列性能：延性系數(shù)高；勻質(zhì)性好；正交各向同性；構(gòu)件的連接具有整體性、連續(xù)性和較好的延性，并能發(fā)揮材料的全部強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)布置遵循的原則是平面布置力求對(duì)稱，使構(gòu)件分配的力均勻；豎向布置力求均勻，盡可能使其豎向剛度、強(qiáng)度變化均勻，避免出現(xiàn)薄弱層，并應(yīng)盡可能降低房屋的重心。3.4多道抗震防線的設(shè)置。多道設(shè)防就是人為加強(qiáng)某些豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，提高部分的可靠度；并且有意識(shí)地設(shè)置一些薄弱環(huán)節(jié)，使其在強(qiáng)震作用下退出工作。將建筑物自振周期與地震動(dòng)卓越周期錯(cuò)開，使建筑物的共振現(xiàn)象得以緩解，減輕地震的破壞作用。3.5剛度、承載力和延性的匹配。當(dāng)結(jié)構(gòu)具有較高的抗力時(shí)，其總體延性的要求可有所降低；反之，較低的抗力需要較高的延性要求相配合。地震時(shí)建筑物所受地震作用的大小與其動(dòng)力特性密切相關(guān)，具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性。提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，往往是以提高工程造價(jià)及降低結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)為代價(jià)的。要使建筑物具有很強(qiáng)的抗倒塌能力，最理想的是使結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件都具有較高的延性，然而實(shí)際工程中很難做到。有選擇地提高結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件以及關(guān)鍵桿件的延性是比較經(jīng)濟(jì)有效的辦法。四、建筑結(jié)構(gòu)消能減震與隔震設(shè)計(jì)消能減震隔震是指在結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置隔震層以隔離地震能量，或在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器吸收地震能量，從而達(dá)到減輕震害的目的。由于它是一種新型的結(jié)構(gòu)體系，且隔震層以上結(jié)構(gòu)部分的使州要求高于非隔震建筑，因此，在目前的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。其主要原理為：在房屋底部設(shè)置橡膠隔震支座和阻尼器等，以延長構(gòu)件的自振周期、增大阻尼，或在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，通過局部變形提供附加阻尼，消耗地震能力，而達(dá)到保護(hù)上部結(jié)構(gòu)的目的。結(jié)構(gòu)空間剛度房屋是由縱、橫向承重構(gòu)件和樓蓋組成的一個(gè)具有空間剛度的結(jié)構(gòu)體系，其抗震能力的高低取決于結(jié)構(gòu)的空間整體剛度和整體穩(wěn)定性。剛性樓蓋體系是保證所有豎向抗側(cè)力構(gòu)件共同受力的先決條件，建議采用現(xiàn)澆樓屋蓋，對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)體系采用現(xiàn)澆樓屋蓋不僅可消除滑移、散落問題，提高房屋的整體性，增大樓板的剛度，而且對(duì)平面上墻體對(duì)齊的要求也可以予以適當(dāng)?shù)姆艑?，因?yàn)樽鳛橐约羟凶冃螢橹鞯拇u混結(jié)構(gòu)，層間變形是可控制性的，較強(qiáng)的樓、屋蓋水平剛度使荷載傳遞具有良好的條件，平面上當(dāng)上下墻體不對(duì)齊時(shí)，現(xiàn)澆樓、屋蓋能起到一定的傳遞水平力的作用，同時(shí)樓、屋蓋現(xiàn)澆增加了樓板對(duì)墻體的約束。磚混結(jié)構(gòu)房屋采用縱墻或橫墻承重，由于其另一方向的約束墻體少、間距大，因而房屋的另一方向剛度較弱，空間剛度和整體性都較差，抗震能力低。在中強(qiáng)地震作用下，墻體由于平面外的失穩(wěn)而先行破壞，進(jìn)而引起整個(gè)房屋的倒塌。而在兩個(gè)方向布置適當(dāng)?shù)目v橫墻混合承重房屋。由于其限制了縱墻的側(cè)向變形，增強(qiáng)了空間剛度和整體性，對(duì)承受縱橫兩個(gè)方向的水平地震作用，以及抗彎、抗剪都非常有利，抗震性能較縱墻或橫墻承重好得多。五、抗震構(gòu)造措施的設(shè)置抗震構(gòu)造措施在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有非常重要的作用，構(gòu)造設(shè)置是否合理，直接影響到結(jié)構(gòu)防震的效果，由于上部主體結(jié)構(gòu)類型不同，構(gòu)造措施也不盡相同，以下列出常見結(jié)構(gòu)類型所需采取的一般構(gòu)造措施。磚混結(jié)構(gòu)房屋中設(shè)置沿樓板標(biāo)高的水平圈梁，加強(qiáng)了內(nèi)外墻的連接，增強(qiáng)房屋的整體性。圈梁能夠有效地約束預(yù)制板的散落，使磚墻出平面倒塌的可能性降低；另外，圈梁作為邊緣構(gòu)件，可以提高樓、屋蓋的水平剛度。在地震作用下限制了墻體斜裂縫的開度與延伸，減輕了不均勻沉降對(duì)房屋的影響。并且構(gòu)造柱設(shè)置合理，可以起到增強(qiáng)房屋整體性、改善結(jié)構(gòu)脆性和增加延性的作用。每間設(shè)置構(gòu)造柱的墻體，可以大大提高變形能力，即使墻體開裂以后，還可以利用其塑性變形和滑移、摩擦，來消耗地震能量。但是，設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱后，多層磚混房屋的抗裂能力并沒有多大的改善，難于保證磚混結(jié)構(gòu)房屋實(shí)現(xiàn)“小震”不壞的目標(biāo)，設(shè)計(jì)中應(yīng)該加以注意。六、結(jié)語總而言之，隨著高層建筑的