李寶玉

（河南省建筑工程標(biāo)準(zhǔn)定額站，河南　鄭州　450001）

抗震建筑結(jié)構(gòu)的若干概念設(shè)計(jì)

李寶玉

（河南省建筑工程標(biāo)準(zhǔn)定額站，河南鄭州450001）

地震是一種不可預(yù)知的自然災(zāi)害，可導(dǎo)致建筑物受損甚至倒塌和人命傷亡，減少地震災(zāi)害最有效的方法是建造經(jīng)得起強(qiáng)震的抗震建筑。基于此，結(jié)合地震動(dòng)的特點(diǎn)和建筑抗震設(shè)計(jì)原理，總結(jié)有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)，并進(jìn)行必要分析，以期對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)

地震是一種不可預(yù)知的自然災(zāi)害，地震波引起的地震動(dòng)可導(dǎo)致建筑物受損甚至倒塌，從而引致人命傷亡，減少地震災(zāi)害最有效的方法是建造經(jīng)得起強(qiáng)震的抗震建筑。地震的大小用震級(jí)度量，而建筑物遭受地震影響的強(qiáng)弱程度則用烈度來表示，我國(guó)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011）（以下簡(jiǎn)稱《抗震規(guī)范》）的1.0.2條以強(qiáng)制性條文的形式規(guī)定［1］：抗震設(shè)防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑，必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。地震作用不僅具有隨機(jī)性，而且具有動(dòng)力特性，目前尚難準(zhǔn)確確定建筑物所遭遇地震動(dòng)的峰值、頻譜和持續(xù)時(shí)間，再加上結(jié)構(gòu)材料的非彈性、結(jié)構(gòu)的阻尼以及結(jié)構(gòu)分析的不完備等因素，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)尚不是理性的科學(xué)，除了結(jié)構(gòu)分析和截面設(shè)計(jì)外，概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中不可缺少的重要部分。概念設(shè)計(jì)就是指工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析和判斷，并采取相應(yīng)措施，愈來愈受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的普遍重視。

1　抗震設(shè)防目標(biāo)

每個(gè)地區(qū)都有可能遭受強(qiáng)烈程度不同的地震，出現(xiàn)的概率也不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度也不同。顯然，采用單一的抗震設(shè)防目標(biāo)是不合理的。因此，和世界上許多國(guó)家一樣，我國(guó)也采用3個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。即使抗震設(shè)防目標(biāo)基本相同，但由于各國(guó)地震發(fā)生的頻繁程度不同，相同重現(xiàn)期的地震的強(qiáng)弱程度不同等原因，關(guān)于“小震、中震和大震”的定義也就不一樣，即建筑受到的有效加速度不同。《抗震規(guī)范》規(guī)定的小震即為多遇地震，為該地區(qū)50a內(nèi)超越概率10%的地震；中震即設(shè)防烈度，為該地區(qū)的地震基本烈度，50a內(nèi)超越概率為10%；而大震為罕遇地震，50a內(nèi)的超越概率為2%～3%的最大地震烈度?？拐鹪O(shè)防烈度是建筑抗震設(shè)計(jì)用的基準(zhǔn)烈度。一般建筑抗震設(shè)防烈度是采取建筑所在地區(qū)的基本烈度。

2　若干抗震結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

2.1選擇合理地基和減少地震能量輸入

2.1.1避免地基變形的直接危害。建筑物可能由于斷層錯(cuò)動(dòng)、山崖崩塌、河岸滑坡、地層陷落等地基嚴(yán)重變形造成嚴(yán)重破壞。因此，應(yīng)避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險(xiǎn)地段建造房屋。同時(shí)，應(yīng)選擇位于開闊平坦地帶的堅(jiān)硬土場(chǎng)地或密實(shí)均勻中硬土場(chǎng)地，避開不利地形，遠(yuǎn)離河岸，不垮在兩類土壤上，不采用震陷土作天然地基［1］。

2.1.2減少地震能量輸入。建筑物遭遇到地震時(shí)，所受到的地震作用的大小，并不像一般的風(fēng)、雪、重力等荷載那樣易于確定，而是隨著建筑的動(dòng)力特性、場(chǎng)地條件和地震動(dòng)參數(shù)的不同，存在較大幅度的變化。以高層建筑為例，建在基巖或薄土層上與建在厚土層上相比較，能減少地震輸入能量，減輕破壞程度。因此，在堅(jiān)硬的場(chǎng)地土上建造高樓，可以明顯地減少地震能量輸入，即能減小地震作用。采用隔震技術(shù)可有效地減小地震能量的輸入，從而減輕結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。目前，常用的隔震有軟墊隔震、滑移隔震、擺動(dòng)隔震、懸吊隔震等措施。

2.2結(jié)構(gòu)體型和總體布置

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除根據(jù)高度、設(shè)防烈度合理選擇結(jié)構(gòu)形式、材料外，還需重視結(jié)構(gòu)布置。

結(jié)構(gòu)平面布置與建筑平面有關(guān)，平面簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱的建筑，易于實(shí)現(xiàn)利于建筑抗震的結(jié)構(gòu)布置，即結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布對(duì)稱均勻，結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心盡可能重合，從而減少地震作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。即使是完全對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，由于施工引起的構(gòu)件尺寸及軸線偏差、配筋不對(duì)稱等原因，在地震作用下結(jié)構(gòu)也會(huì)激起建筑的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。因此，在彈性階段的抗震設(shè)計(jì)時(shí)就需要偶然偏心的影響。結(jié)構(gòu)豎向布置時(shí)就要使構(gòu)件沿高度方向連續(xù)，不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突變。尤其是剪力墻，自下而上要連續(xù)布置，否則易于形成結(jié)構(gòu)的薄弱層，在地震作用下該層間側(cè)移將因塑性變形集中而驟然加大，破壞程度也會(huì)加重，進(jìn)而危及該層以上各樓層甚至整個(gè)建筑的安全。對(duì)于突出屋面的小塔樓，則易于出現(xiàn)鞭梢效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需專門處理，并在構(gòu)造上采取措施。規(guī)則結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)較為簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果能較好地反映地震作用下的受力狀態(tài)，設(shè)計(jì)師也就能較好地把握結(jié)構(gòu)的實(shí)際地震反應(yīng)。對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)而言，更應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)，首先要設(shè)置從基礎(chǔ)到屋頂?shù)牟恢袛嗟倪B續(xù)結(jié)構(gòu)（也稱為脊椎結(jié)構(gòu)）［2］，若無法設(shè)置，應(yīng)采取其他措施來保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的連續(xù)性；其次是提高關(guān)鍵構(gòu)件的承載力和延性，按中震不屈服來設(shè)計(jì)關(guān)鍵構(gòu)件，或保證大震下關(guān)鍵構(gòu)件處于彈性狀態(tài)。

2.3性能優(yōu)良的材料

在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)階段，除了要考慮建筑的功能、美觀和結(jié)構(gòu)體系等，還需要確定結(jié)構(gòu)的材料，這就要求對(duì)各種材料的耐震性能有一定的了解，以便能根據(jù)建設(shè)工程來選用既符合抗震要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。從結(jié)構(gòu)抗震角度來講，好的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)是變形能力（延性系數(shù)）強(qiáng)，“強(qiáng)度/重力”的比值大，均勻性好，構(gòu)件之間易于連接，并能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。用上述標(biāo)準(zhǔn)來衡量，常用結(jié)構(gòu)類型按其抗震性能優(yōu)劣的排序是：鋼結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土-鋼混合結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，配筋砌體結(jié)構(gòu)。

2.4結(jié)構(gòu)的整體性和延性

結(jié)構(gòu)具有足夠大的延性和耗能能力是抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，合理設(shè)計(jì)的抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)是結(jié)構(gòu)在大震作用下，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服或破壞，通過延性來耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。延性本質(zhì)上說是材料、截面、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在保持一定的強(qiáng)度或承載力時(shí)的塑性變形能力，除與材料、配筋有關(guān)外，選擇合理的結(jié)構(gòu)屈服機(jī)制也是保證結(jié)構(gòu)具有良好延性的前提。整體屈服機(jī)制優(yōu)于樓層屈服機(jī)制。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，需遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)錨固”等原則。而在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選定構(gòu)件中軸力小的水平桿件，作為主要耗能桿件，并盡可能使其發(fā)生彎曲耗能，從而使整個(gè)構(gòu)件具備較大的延性和耗能能力。

剛度愈大的構(gòu)件通常吸收的地震能量也越大，只有使其具有足夠大的延性，才能在結(jié)構(gòu)受力超過彈性階段發(fā)生彈塑性變形時(shí)，避免其先發(fā)生破壞，然后其他構(gòu)件再發(fā)生破壞，從而被各個(gè)擊破。為了增加大剛度構(gòu)件的延性，可采用設(shè)置豎縫的抗震墻、偏心支撐等相應(yīng)的措施。

為了提高構(gòu)件的延性，設(shè)計(jì)時(shí)需控制構(gòu)件的破壞形態(tài)，減小桿件軸壓比，采用高強(qiáng)混凝土或型鋼混凝土、配置斜向鋼筋、分隔成較細(xì)桿件、變單肢墻為雙肢墻等措施。

2.5非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件要參與工作，有利的方面是增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，從而減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移，同時(shí)還能承擔(dān)地震剪力、吸收和耗散地震能量，從而對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利影響。但是，結(jié)構(gòu)剛度的增大又會(huì)引起更大的地震作用效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震不利，有時(shí)不合理的填充墻布置也造成結(jié)構(gòu)偏心、在框架中形成短柱等情況，加重了結(jié)構(gòu)震害。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到填充墻的影響，加強(qiáng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接，控制結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移。

3　結(jié)語(yǔ)

盡管地震具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性，對(duì)建筑的危害也較大，只要在建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)，能夠保證房屋在地震發(fā)生時(shí)和發(fā)生后具有必要的整體穩(wěn)定性，從而減少不必要的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

［1］GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］錢稼茹.不規(guī)則高層建筑的抗震設(shè)計(jì)概念及工程實(shí)例［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1997（1）：35-37.

Several Conceptual Design of Aseismic Building Structure

Li Baoyu
（Henan Provincial Construction Engineering Standard Quota Station，Zhengzhou Henan 450001）

Earthquake is a kind of unpredictable natural disaster，can lead to damage or even collapse of buildings and casualties，the most effective way to reduce the earthquake disaster is to build strong earthquake resistant buildings.Based on this，combined with the characteristics of ground motion and the principle of seismic design of buildings，the concept design of the seismic design of building structures was summarized，and the necessary analysis was made，in order to have a certain reference value for the seismic design of the building structure.

seismic structural design；conceptual design；architectural structure

TU352.11

A

1003-5168（2016）06-0118-02

2016-05-13

李寶玉（1973-），女，本科，工程師，研究方向：工程造價(jià)。