建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)淺議

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［摘要］地震在我國是一種常見的自然災(zāi)害，主要是由于地殼運(yùn)動(dòng)而引起的自然現(xiàn)象。由于部分突發(fā)性地震災(zāi)難所帶來的社會(huì)損害很大，所以加強(qiáng)建筑抗震顯得尤為重要。本文從抗震工程設(shè)計(jì)視角說明了建筑工程中抗震工程設(shè)計(jì)的重要性以及抗震概念設(shè)計(jì)的基本內(nèi)涵，希望可以為建筑工程技術(shù)人員抗震工程設(shè)計(jì)提供參照。

［關(guān)鍵詞］建筑工程結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；探討

一直以來，人們對在建筑中有關(guān)的耐震措施都是秉承著“小震不塌、大震能修”的準(zhǔn)則，盡管建筑設(shè)計(jì)在耐震方面也采用了不少的措施，受諸多因素的影響仍然不可避免地出現(xiàn)了質(zhì)量問題，與此同時(shí)也給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。影響建筑物質(zhì)量的因素有很多，其中最主要的還是施工工人的安全意識(shí)不夠，在施工過程中產(chǎn)生了僥幸心理，偷工減料，甚至私自更改了總體設(shè)計(jì)方案，從而未能切實(shí)地把建筑防震的安全措施落到實(shí)處。

1建筑抗震設(shè)計(jì)的必要性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球一年出現(xiàn)的地震約達(dá)五百萬次，其中大部分地震都產(chǎn)生于地球內(nèi)部，而人類感受到的最大抗震，亦為有感抗震，僅占總量的百分之一以下，能引起災(zāi)害的強(qiáng)地震則為數(shù)更少，一般每年十幾起[1]。不過，即使是這種每年為數(shù)不多的大地震，也給人類造成了無可挽回的巨額經(jīng)濟(jì)損失和觸目驚心的人身傷亡事故。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，我國95%以上的地震事故是由于建筑無抗震結(jié)構(gòu)能力或抗震結(jié)構(gòu)能力低下出現(xiàn)倒塌。而作為一個(gè)地震頻發(fā)國，日本一直很注重建筑材料的抗震設(shè)計(jì)工作，其抗震結(jié)構(gòu)設(shè)備和技術(shù)手段也比較發(fā)達(dá)，日本建筑已普遍達(dá)到了抵御7~8級地震的能力?！吨袊勒饻p災(zāi)技術(shù)法》第35條明文規(guī)定：“新增、擴(kuò)大、改造施工，必須符合抗震結(jié)構(gòu)建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)?！庇纱丝梢?，對建筑實(shí)施合理的防震設(shè)計(jì)是降低抗震災(zāi)情最可行、最基本的保護(hù)措施。

2“結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)”的含義

從20世紀(jì)70年代開始，世界各國標(biāo)準(zhǔn)都明確了在建筑工程技術(shù)上應(yīng)當(dāng)注意“結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)”，即基于抗震災(zāi)情調(diào)查、科研和施工經(jīng)驗(yàn)等場所形成的基本原則與建筑設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑物構(gòu)件的總體布局和確定細(xì)部結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計(jì)理念將有利于確定構(gòu)造抗震思想，不僅可以改善建筑物構(gòu)造的抗震特性，同時(shí)也為有關(guān)抗震計(jì)算提供了有利條件，從而使計(jì)算分析結(jié)論更能體現(xiàn)今后抗震時(shí)構(gòu)造的實(shí)際抗震反應(yīng)。

3抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則

3.1選擇對抗震有利的場地和地基

建筑的抗震能力和現(xiàn)場要求有密切聯(lián)系。對多次地震的研究已經(jīng)證實(shí)，對于同類別的建筑，因?yàn)槭┕さ攸c(diǎn)不同，損壞程度也會(huì)存在較大差異。因此建筑物的選址應(yīng)該盡量避免在地貌上有活動(dòng)斷層通過或斷裂交叉的地區(qū)，尤其是在有活動(dòng)斷層的區(qū)域進(jìn)行施工。

3.2通過合理規(guī)劃，防止地震時(shí)出現(xiàn)的次生災(zāi)害

地震所引起的次生災(zāi)難，有時(shí)也會(huì)造成大于地震直接帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，防止地震時(shí)出現(xiàn)更強(qiáng)烈的次生災(zāi)害，是防震工作的一項(xiàng)非常重要方面。在震中區(qū)域的建設(shè)規(guī)模上應(yīng)使住宅分散建立，而住宅的高度間距以不低于1~1.5倍的房屋標(biāo)高為宜，以便為在抗震時(shí)人員撤離和救援以及為抗震修筑臨時(shí)性工程留出余地。要盡量避免房高巷小，防止抗震時(shí)因?yàn)闃欠刻鷮⒌缆纷钄?，公共建筑更?yīng)充分考慮抗震避難問題，通?？珊拖辣茈y一起考慮。

3.3選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)方案

建筑的基本結(jié)構(gòu)制度，必須根據(jù)建筑物抗震設(shè)防類型、抗震設(shè)防力度、建筑標(biāo)高、施工條件、地基材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造建筑材料與施工條件等各種因素，經(jīng)科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值與實(shí)際使用條件的綜合評估對比后而制定。所選擇的結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)，應(yīng)該具備明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳導(dǎo)路徑，并具有必要的抗震強(qiáng)度、正常的變化力量以及消耗抗震能量的能力，可以防止由于部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損壞而造成整體構(gòu)件缺乏抗震能力以及對重力荷載的承受能力。

3.4非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為建筑物非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物內(nèi)部附帶機(jī)械設(shè)施，包括與建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間的機(jī)械連接等。但是，由于在強(qiáng)烈抗震影響下，建筑物中的這部分構(gòu)件會(huì)或多或少地參與其中，因此可以改善整個(gè)構(gòu)件或部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承載力和傳力路徑，從而形成意想不到的耐震效應(yīng)。所以，有必須參照以往每一次震害經(jīng)歷，妥善處理這種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以降低震災(zāi)，并增加建筑物的耐震可靠程度。

4設(shè)計(jì)多道抗震防線

4.1設(shè)計(jì)多道防線的必要性

眾所周知，地震的震動(dòng)不只是一次，一般是在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)震動(dòng)，并且大型地震之后還會(huì)伴有余震。所以建筑物在地震多次震動(dòng)的影響之下會(huì)形成累積型的損傷。因此，對于建筑物的抗震防線的設(shè)置，不能只局限于一道防線，只有在第一防線的基礎(chǔ)上設(shè)置好第二、第三道耐震防線，才能夠提高建筑物的抗震能力，從而提高建筑物的安全性。

4.2第一道防線的構(gòu)件選型

建筑物的結(jié)構(gòu)是不同的，無論是磚墻、構(gòu)架還是墻體都必須具有一定的抗震能力。但是不同的建筑物的結(jié)構(gòu)的受力能力不同，所在防震的效果則存在著具體的差異。一般來說，相關(guān)工作人員需要充分考慮建筑物結(jié)構(gòu)所能承受的重力情況，例如軸壓比較小的防震墻體結(jié)構(gòu)，在具體的施工過程中將防震墻體當(dāng)作第一道抗震設(shè)防的抗側(cè)力構(gòu)件。工作人員通常不考慮將軸壓特別大的框架墻作為第一道設(shè)防的抗側(cè)力構(gòu)件。如果選擇軸壓較小的防震墻體作為第一道防線，即使結(jié)構(gòu)被破壞，也不會(huì)危害到整體結(jié)構(gòu)。選擇軸壓大的防震墻體作為第一道防線，一旦抗側(cè)力構(gòu)件遭到破壞，就會(huì)造成整體構(gòu)架柱的豎向承載力大幅度降低，從而對整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。所以在技術(shù)條件允許的情況下，并且構(gòu)架是整體結(jié)構(gòu)中獨(dú)立的抗側(cè)力體系時(shí)，工作人員就必須采取強(qiáng)柱弱梁的結(jié)構(gòu)，這樣能夠更好地提高整體構(gòu)架的延展性。

4.3抗側(cè)力體系多余桿件的利用

建筑物主體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最主要目標(biāo)是防倒塌，當(dāng)建筑物主體結(jié)構(gòu)受到較重外力造成損傷的情形下，也能夠保持一種比較穩(wěn)固的狀態(tài)。因此針對建筑物結(jié)構(gòu)主體比較理想的應(yīng)用方法就是能在主體構(gòu)件內(nèi)部增加若干桿件，其中桿件和主體構(gòu)件之間的強(qiáng)度差值應(yīng)當(dāng)在國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并采用合適的配筋，保證主體構(gòu)件及其桿件有較好的可伸縮性，當(dāng)遇到地震時(shí)，這種桿件設(shè)備會(huì)在主體構(gòu)件之前進(jìn)行有效的抗壓，利用它所具備的塑性程度，把地震過程中產(chǎn)生的破壞力進(jìn)行分散[3]。例如：針對兩片或者是多片的單肢抗震墻，利用水平抗彎梁共同連接成為多肢的抗震墻，并且使抗震墻能夠和同一個(gè)平面之中的框架形成并聯(lián)，從而加強(qiáng)其抗震方面的能力。這種方式可以實(shí)現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)動(dòng)力整體的特性的控制，并且在多余桿件之間的耗能和內(nèi)部力量在雙重分布之下，通過結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將壓力逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，從而形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。具體可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：首先是關(guān)于新建樓宇的總體設(shè)計(jì)。隨著當(dāng)前建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，以及建筑架構(gòu)設(shè)計(jì)理念的不斷更新，人類對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的減震、隔振設(shè)計(jì)也日益關(guān)注。因此在建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了對建筑的基礎(chǔ)部分采取特殊處理措施以外，還可以利用消能減震設(shè)備以及元件減小震害對結(jié)構(gòu)的作用力，進(jìn)一步保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全性。其次是加強(qiáng)新建成建筑物的防震加固措施。針對新建筑的地面或基座實(shí)施隔震設(shè)計(jì)，工作人員需要在建筑還沒有施工之前進(jìn)行建筑物的隔震設(shè)計(jì)，采取各種積極措施結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在具體的施工過程中，必須在建筑的關(guān)鍵地點(diǎn)設(shè)置特殊的隔震設(shè)備。在建筑完成之后，如果要增強(qiáng)建筑物的耐震性，工作人員可以采取增設(shè)阻尼器的措施，在建筑的構(gòu)造上進(jìn)行添加減能設(shè)備。

4.4結(jié)構(gòu)選型

4.4.1合適的結(jié)構(gòu)類別。工作人員在具體的施工過程中應(yīng)該制定出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案，這種方案既能滿足經(jīng)濟(jì)效益的提升，也能夠保證建筑物的實(shí)用性，工作人員在設(shè)計(jì)方案時(shí)需要充分考慮建筑物的抗震性能。通過對抗震的相關(guān)資料進(jìn)行研究，從而得出鋼筋之中的直徑混凝土結(jié)構(gòu)整體的抗震特性需要優(yōu)于砌塊，在具體的施工過程中砌塊結(jié)構(gòu)要比無筋砌塊理想。而針對配筋砌塊，工作人員需要配合結(jié)構(gòu)方面的具體模式進(jìn)行施工。從整個(gè)桿件的類型上而言，墻體在抗震性比起材質(zhì)的空間構(gòu)架或者是排架更加穩(wěn)定，而整個(gè)空間構(gòu)架的抗震性優(yōu)于平面的抗震性。4.4.2超靜定次數(shù)增多。從平面構(gòu)件上來說，各個(gè)構(gòu)架的耐震性排名如下，構(gòu)架的耐震特性高于排架構(gòu)造，帶支承構(gòu)架也高于簡單架構(gòu)。靜定結(jié)構(gòu)的桿件具體特點(diǎn)表現(xiàn)在搭設(shè)受力體系和傳力路徑獨(dú)立，當(dāng)一根桿件搭設(shè)損壞之后，整體構(gòu)造也不會(huì)因傳力路徑的斷裂而損壞。當(dāng)超靜定構(gòu)件在超載荷狀況下工作時(shí)，首先是剩余桿件的搭設(shè)上發(fā)生損壞，該桿件搭設(shè)在產(chǎn)生塑性鉸的工作過程中，會(huì)分解一部分地震的危害力量。其結(jié)果也只能是減少構(gòu)件的超靜定次數(shù)，但整體構(gòu)件結(jié)構(gòu)仍然是一種穩(wěn)固體系，具備較好的防震能力構(gòu)件的超靜定次數(shù)越多，所消耗的震害能力也就越多，抗震安全程度也就越高。4.4.3耐震的屈服機(jī)制。一個(gè)良好的結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在其桿件出現(xiàn)塑性較之后，在承載能力基本保持穩(wěn)定的條件下，可以持續(xù)地變形而不倒塌，最大限度地吸收和耗散地震能量。結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展從次要構(gòu)件開始，或從主要構(gòu)件的次要桿件開始，最后才在主要構(gòu)件上出現(xiàn)塑性銨，從而形成多道抗震防線。結(jié)構(gòu)中所形成的塑性銨的數(shù)目多，塑性變形發(fā)展的過程長.構(gòu)件中塑性較的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量大，結(jié)構(gòu)的塑性變形量大。

5建筑結(jié)構(gòu)的主要隔震措施

中國的建筑的耐震設(shè)計(jì)中，一般都是采取對地面結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊處理、設(shè)置耐震裝置、對建筑物的上部構(gòu)造進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以便于實(shí)現(xiàn)建筑抗震隔震的目的，相關(guān)措施一般也是混合應(yīng)用的，不過人們根據(jù)震害構(gòu)造特征和建筑自身構(gòu)造特點(diǎn)，會(huì)有所側(cè)重的在重要部位設(shè)置隔震層，而根據(jù)隔震層的情況不同我們可以將建筑的隔震設(shè)計(jì)分成如下幾類。

5.1對建筑物地面使用的特殊建筑材料隔展

建筑物基本隔震，主要是對建筑物的基底部分加以特別處理，減少地震時(shí)的地震波，進(jìn)而降低震害對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。傳統(tǒng)上是在建筑物的基本部分交替鋪設(shè)黏土和砂子，甚至直接設(shè)置黏土或沙子墊板，在我國建筑史上，就已經(jīng)有人以糯米為主要原料，在建筑物的基本部分設(shè)置了墊板，以減輕震害對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。近年來，國家有關(guān)部門在這方面的研究上已經(jīng)獲得了突破性發(fā)展，以瀝青為主要原材料研發(fā)出了特殊建筑材料，這種方法設(shè)置的隔震層效果比較良好。

5.2在建筑基礎(chǔ)上設(shè)有隔振裝置減震

這一類隔震措施，主要是在建筑的基座和上層建筑物中間設(shè)有特殊安裝，從而減少震害的方向傳播，不過，這些措施的主要缺點(diǎn)是不宜使用于大型高層建筑，由于在大型高層建筑設(shè)有這種安裝會(huì)拉長建筑物構(gòu)造本身的自震期，起不到減少震害對建筑破壞的目的。一般使用的措施有：摩擦滑動(dòng)隔震、粘彈性隔震等多種，一般設(shè)定的裝備有橡膠墊、混凝土隔震設(shè)備等。

5.3建筑樓層間隔地震預(yù)防措施

建筑樓層間隔地震這種方式主要應(yīng)用于舊房改造，在建筑施工中有著簡便、易于運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。與在建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分設(shè)置隔震設(shè)備的方法比較，層間隔震的效應(yīng)并不是特別顯著，這些方法大多是通過設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)中各層間隔的減震設(shè)備吸引和減弱地面震害力量，從而降低地震對建筑結(jié)構(gòu)的損害，所設(shè)置的裝置也基本與建筑基礎(chǔ)隔震的原理一致。

5.4對建筑構(gòu)件懸掛隔震

所謂懸掛隔震，就是把建筑的部分甚至整體構(gòu)件都懸掛起來，也就是人們平時(shí)所謂的懸空構(gòu)件，這樣，在地震來臨時(shí)，地震的力量就不會(huì)傳導(dǎo)給懸空起來的建筑構(gòu)件，從而起到了減輕地震帶來的危害的目的。這個(gè)隔震方法最常用于特大型鋼構(gòu)，因?yàn)樘卮笮偷匿摻Y(jié)構(gòu)建筑都是通過鋼構(gòu)件懸掛系統(tǒng)用以隔震。而大型鋼結(jié)構(gòu)建筑一般劃分為副構(gòu)架和子框架，在懸架系統(tǒng)中，子框架通過索鏈和吊桿掛在主構(gòu)架上，在地震發(fā)生來臨之時(shí)，主構(gòu)架就會(huì)因?yàn)榈貧み\(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生搖晃，不過，由于子構(gòu)架與主架構(gòu)之間是可以活動(dòng)的索鏈和吊桿，當(dāng)震害的力量在達(dá)到這個(gè)部位的時(shí)候就會(huì)減弱，不至于傳導(dǎo)到次結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生慣性力。

5.5其他減震措施

（1）根據(jù)建筑的方向設(shè)置防震問題。眾所周知，建筑防震問題主要受到地殼的移動(dòng)影響，和地質(zhì)構(gòu)造學(xué)有著十分重要的聯(lián)系。人們在建筑材料選擇的時(shí)候，必須充分考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件，并分析當(dāng)?shù)氐卣鸬恼鹣颍菇ㄖ牧系姆较蚺c地震震向垂直，而盡量避免二者方向相互平行。從剛剛發(fā)生的四川汶川地震和玉樹地震的實(shí)際狀況分析，與地震震向水平的建筑的坍塌概率更高，而與此相反，與地震震向垂直的建筑不太易坍塌。而科學(xué)研究也表明，與地震震向水平的建筑，當(dāng)震中產(chǎn)生時(shí)，隨地震波運(yùn)動(dòng)的振幅更大，所以更易于坍塌。（2）無粘接支持系統(tǒng)的減震問題。無粘接支持系統(tǒng)是建筑結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)中較為有效的一類，這個(gè)系統(tǒng)主要是經(jīng)過科學(xué)設(shè)計(jì)，使建筑內(nèi)部鋼板與外部的包鋼間無粘接并可形成能隨意滑動(dòng)的一個(gè)層面，當(dāng)抗震問題產(chǎn)生時(shí)，可以利用內(nèi)部鋼板間的協(xié)同效應(yīng)從而消耗抗震能力。不過，這樣設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有關(guān)部件的計(jì)算方面規(guī)定得特別嚴(yán)格。主要是因?yàn)檫@種系統(tǒng)中建筑物的重量大部分由內(nèi)鋼來承受，外鋼則主要起配合和輔助的功能，還能夠避免內(nèi)鋼彎曲變形。

6結(jié)語

綜上所述，地震是一個(gè)突然的自然災(zāi)害現(xiàn)象，就目前世界各國為減少地震等突發(fā)災(zāi)難所采用的對策來說，大致有以下三種：一是加強(qiáng)地震預(yù)報(bào)，并在震害出現(xiàn)之前采取適當(dāng)措施以降低經(jīng)濟(jì)損失；二是在建筑設(shè)計(jì)與施工等方面，增強(qiáng)各種建筑對震害的抵抗能力，以及對已建建筑進(jìn)行耐震能力評估與加固；三是做好大地震時(shí)的緊急指揮和救災(zāi)工作?？傊?，在各個(gè)環(huán)節(jié)上注意和嚴(yán)格把關(guān)，將大地震災(zāi)難規(guī)模盡量減至最小、最輕微。

參考文獻(xiàn)

[1]胡愛珍.關(guān)于提升建筑工程結(jié)構(gòu)抗震性能的思考[J].河南建材，2018（4）：55-56.

作者:金旭 汲鵬 張值源 劉子寒 單位:遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院