建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計探究
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摘要：建筑工程與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系，對人們生活安全也有著密切影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及人們對建筑物審美、功能性要求的逐漸提高都促使建筑物在高度、安全性、功能性方面有著顯著提升。其中，建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計對工程建設(shè)安全性提升起到了關(guān)鍵性作用，加之目前新型材料的應(yīng)用以及施工技術(shù)、管理水平的提升都使得抗震設(shè)計研究有了更大的應(yīng)用空間。本文就建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究探討。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；優(yōu)化；研究
1高層建筑抗震設(shè)計的必要性探討
高層建筑抗震設(shè)計對建筑安全有著重要的影響，因此抗震設(shè)計如何使建筑物更加穩(wěn)固是目前必須要加強(qiáng)的研究工作。隨著近些年地震災(zāi)害的危害，結(jié)構(gòu)工程師逐漸對建筑抗震設(shè)計更加重視，其中工程結(jié)構(gòu)宏觀的“概念設(shè)計”遠(yuǎn)比“數(shù)值設(shè)計”抗震效果明顯的多。建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的提出是以建筑物宏觀整體為基礎(chǔ)，并根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體進(jìn)行方案的實施，同時對細(xì)部構(gòu)造以及材料進(jìn)行合理使用，以此來達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有的效果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中對于結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件延性、剛度分布要在宏觀上進(jìn)行鑒別、選擇和處理，對高層建筑抗震設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)要通過適當(dāng)計算及構(gòu)造進(jìn)行消除。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師要充分運用自身敏捷的思維能力和判斷能力對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本問題進(jìn)行確定，并延伸至設(shè)計的各個環(huán)節(jié)中。對建筑結(jié)構(gòu)抗震特點、振動中的結(jié)構(gòu)受力特性等進(jìn)行充分的理解和分析，對關(guān)鍵問題重點對待，科學(xué)合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2影響建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的主要因素
建筑結(jié)構(gòu)整體抵御地震作用的能力被稱之為抗震能力，建筑結(jié)構(gòu)的變形能力和承載能力決定了建筑物結(jié)構(gòu)抗震能力的強(qiáng)弱，也直接決定了建筑物在地震過程中面臨倒塌的風(fēng)險程度。一般而言，對建筑結(jié)構(gòu)抗震力起到影響作用的因素主要分為以下幾點：①結(jié)構(gòu)總體布置。高層建筑結(jié)構(gòu)體形設(shè)計情況、結(jié)構(gòu)是否對稱、強(qiáng)度剛度變化是否做到連續(xù)、均勻，結(jié)構(gòu)的總體布置水平對建筑抗震能力有著較大影響。②結(jié)構(gòu)選型。不同的地質(zhì)特征要針對性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型的選擇，超靜定次數(shù)要保證，以此對地震輸入能量進(jìn)行盡可能的消耗來提升建筑抗震可靠性。③結(jié)構(gòu)整體性。增強(qiáng)建筑物豎向剛度的同時要注意各個構(gòu)件之間的連接情況，保證建筑物的整體性，以此為基礎(chǔ)建立其適應(yīng)地震時可能發(fā)生的大變形的延性要求。④材料選擇。建筑材料質(zhì)量對結(jié)構(gòu)質(zhì)量起到了決定性作用，保證建筑材料質(zhì)量是保障后續(xù)施工質(zhì)量和抗震的基礎(chǔ)。⑤剛度、延性強(qiáng)度比例。建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的體現(xiàn)需要相匹配的剛度、延性、強(qiáng)度進(jìn)行合適的配比，這是建筑結(jié)構(gòu)抗震的內(nèi)在需求。⑥建筑場地。建筑施工前要對建筑場地進(jìn)行細(xì)致的勘察勘探，選擇有利的施工場地，對存在不利因素的場地要盡量避讓。⑦施工質(zhì)量。施工過程中對材料的使用不當(dāng)、幾何特征的破壞等等都可能會建筑的實際抗震能力造成影響。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，要注意以上建筑抗震能力影響因素，以科學(xué)合理地進(jìn)行抗震設(shè)計，保證建筑物抗震能力。
3高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則
3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計原則
結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計時要遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（墻）”的原則。對于建筑結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部位進(jìn)行高抗震能力設(shè)計。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載力、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、延性、耗能方面應(yīng)滿足設(shè)計要求，主要耗能構(gòu)件在延性和剛度方面應(yīng)具有較高水平，承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。
3.2盡可能設(shè)置多道抗震防線
抗震結(jié)構(gòu)體系的完整性是通過多個延性較好的分體系支持組成的，各個體系間通過延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接并進(jìn)行協(xié)同工作。簡單以框架剪力墻結(jié)構(gòu)來說，即是由延性框架和剪力墻兩部分組成。在建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要考慮到強(qiáng)烈地震過后的余震，只設(shè)一道防線的情況下，一旦遭遇余震，則建筑物很可能不堪重負(fù)最終倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計時，要使建筑物具備最大可能數(shù)量的內(nèi)部和外部冗余度，同時建立屈服區(qū)并進(jìn)行合理分布。保證主要耗能構(gòu)件具有較高的延性和剛度、強(qiáng)度，提升吸收和耗散地震能量的能力，使建筑物在地震中避免倒塌或者屹立的時間更久。通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)弱關(guān)系的處理，使地震時樓層內(nèi)的主要耗能構(gòu)件已經(jīng)屈服的情況下，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍然能夠處于彈性階段以保持“有效屈服”的狀態(tài)，并保持較長時間，提升建筑結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力?？拐鹪O(shè)計中某部分結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度較高則會使其他部位強(qiáng)度不同程度降低，所以設(shè)計過程中要注意對薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，施工過程中要考慮具體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在進(jìn)行構(gòu)件配筋時易改變抗側(cè)力強(qiáng)度，因此要謹(jǐn)慎對待。
3.3設(shè)計時對薄弱部位提高抗震能力
判斷建筑物薄弱部位的基礎(chǔ)是構(gòu)件的實際承載能力情況，在強(qiáng)地震發(fā)生過程中構(gòu)件強(qiáng)度安全儲備并不存在。設(shè)計時要保證建筑物樓層實際承載能力在地震來臨時保持均勻變化，當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況實際承載能力與設(shè)計計算值的比值發(fā)生突變，會因為塑性內(nèi)力的重新分布造成塑性變形。在設(shè)計過程中要注意局部承載力加強(qiáng)的同時要保證建筑結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)一致性。對薄弱部位要有意識的進(jìn)行控制，提升其變形能力和承載能力，并且保證薄弱層不發(fā)生轉(zhuǎn)移，設(shè)計時需要將相關(guān)措施進(jìn)行配合設(shè)計使用。
4建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化方法探討
根據(jù)影響建筑物抗震能力的影響因素以及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化研究，提出相關(guān)方法和措施。
4.1能力設(shè)計法
受到地震作用的超靜定性結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)延性破壞，基于此進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震能力設(shè)計法的應(yīng)用可以在保證滿足抗震要求的同時實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。能力設(shè)計法的本質(zhì)是將控制理念與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計相結(jié)合，加強(qiáng)應(yīng)對結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的能力。能力設(shè)計法對結(jié)構(gòu)抗震性能與能力有著較好的控制力，使建筑抗震設(shè)計難度大大降低。
4.2基于損傷與能量設(shè)計方法
建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計中，從能量角度出發(fā)進(jìn)行抗震設(shè)計的進(jìn)行，主要是考慮到建筑結(jié)構(gòu)承受地震影響時能夠更好地承受其破壞能量，并將能量以有效的形式傳導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部以進(jìn)行分化消散。在發(fā)生地震時，建筑結(jié)構(gòu)非彈性變形超過自身非彈性變形時，其建筑結(jié)構(gòu)會受到一定程度的損傷，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中要將能量理念與非彈性變形相結(jié)合研究，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷納入研究范圍以最終提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力。
4.3基于位移設(shè)計方法，降低地震影響力輸入
地震過程中，由于地震強(qiáng)度的不同建筑物會進(jìn)行不同程度的位移，以結(jié)構(gòu)位移為參照基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法能夠在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的同時有效控制建筑物位移情況。建筑抗震結(jié)構(gòu)位移設(shè)計方法的應(yīng)用，能夠有效滿足各種預(yù)定性能的目標(biāo)要求。基于位移的設(shè)計方法應(yīng)用能夠使地震強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)自身形成關(guān)聯(lián)性，并在地震時做出相應(yīng)的反應(yīng)，降低地震影響力輸入?；谖灰频慕Y(jié)構(gòu)抗震方法，設(shè)計時要對設(shè)計方案進(jìn)行綜合定量分析，首先要保證建筑結(jié)構(gòu)在收到地震影響時產(chǎn)生的形變在接受范圍內(nèi)。設(shè)計時要針對地震影響力情況確定位移限值和變形值，要研究透徹建筑構(gòu)件變形與位移的關(guān)聯(lián)。同時，在確定建筑構(gòu)件構(gòu)造時要考慮建筑界面應(yīng)變分布情況的影響。根據(jù)位移設(shè)計方法，有效降低地震影響力輸入，保證建筑結(jié)構(gòu)安全性。
4.4加強(qiáng)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計
建筑建設(shè)選擇的結(jié)構(gòu)一般包括三種，即框-筒、筒-中筒以及框架-支撐體系，現(xiàn)在逐漸有更多的鋼鐵結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到建筑工程中?；诂F(xiàn)狀盡量選擇鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等，可以有效減小柱斷面尺寸，對提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要意義。對于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，需要從傳統(tǒng)硬性為主的抗震模式逐漸向柔性為主的抗震模式轉(zhuǎn)變，降低地震產(chǎn)生的影響力。另外，在確定抗震結(jié)構(gòu)后，還需要做好對建筑材料的選擇，應(yīng)根據(jù)施工需要對建筑材料性能進(jìn)行全面分析，綜合考慮承載力、延性以及強(qiáng)度等方面要求。
4.5增加抗震防線
通過增加抗震防線，在第一道防線遭到破壞后，還可以通過其他防線降低地震沖擊力對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，可以有效提高建筑抗震性能，例如可以選擇用多個肢節(jié)與壁式框架的“框架剪力墻”結(jié)構(gòu)來提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，以剪力墻作為第一道抗震防線，因此為有效提高抗震性能應(yīng)設(shè)置足夠多的剪力墻。減小地震能量的輸入和設(shè)置消能減震構(gòu)件。強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導(dǎo)致倒塌。抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時倒塌。
5結(jié)束語
高層建筑的發(fā)展與城市的發(fā)展具有密切的聯(lián)系，城市人口的密集、用地緊張，從而促進(jìn)人們對高層住宅建筑的要求。建筑物的抗震設(shè)計是衡量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是否符合要求的重要指標(biāo)，因此如何準(zhǔn)確運用不同的抗震設(shè)計方法，合理的選擇與優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系非常重要。經(jīng)濟(jì)與安全的關(guān)系是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要技術(shù)措施。為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)在地震的作用下不被受到嚴(yán)重破壞以及保證人們的生命財產(chǎn)安全通過對高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計，保證建筑具有良好的抗震性能以及安全性。
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作者:王友三 單位:國家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院
