劉奕君

摘要：建筑的施工不同于傳統(tǒng)的地上工程，相比一般的地上工程其面臨的情況更為復(fù)雜，對(duì)于安全性而言，抗震是最需要考慮的，還需要綜合考慮成本、地質(zhì)條件、方案選擇與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)因素，地質(zhì)條件的考慮尤為重要。因此建筑工程抗震設(shè)計(jì)的制定必須經(jīng)過一個(gè)嚴(yán)格而復(fù)雜的程序。為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，滿足不同性能目標(biāo)要求，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及高層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)例，從場(chǎng)地的選擇、結(jié)構(gòu)的剛度、規(guī)則性、多道設(shè)防等方面，淺議結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；高層建筑；抗震設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)一般包括概念設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)范疇。概念設(shè)計(jì)是指根據(jù)地震震害和工程經(jīng)驗(yàn)等形成的基本設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)思想對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體布置并確定其細(xì)部構(gòu)造的過程。概念設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在工程設(shè)計(jì)一開始就應(yīng)從建筑場(chǎng)地選擇、建筑體型、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)體系、延性、多道設(shè)防等方面在總體上進(jìn)行把握，靈活而合理地應(yīng)用抗震設(shè)計(jì)基本原則和設(shè)計(jì)思想。

一、概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)，并能有意識(shí)地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要，主要還因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性，比如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷，或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)果的高精度特點(diǎn)，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能比較客觀、真實(shí)地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。

概念設(shè)計(jì)之所以重要，還在于在方案設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)過程是不能借助于計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念、深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識(shí)地、靈活地運(yùn)用它們。

二、造成建筑物震害的原因

造成建筑物震害的原因是多方面的，場(chǎng)地條件是其中之一，國(guó)內(nèi)外震害資料表明，建于不同地質(zhì)條件場(chǎng)地上的建筑物在地震時(shí)的破壞是明顯不同的。為了減少地震災(zāi)害，就因注意以下幾點(diǎn)：

a、避開地震危險(xiǎn)地段。地震危險(xiǎn)地段是指地震時(shí)可能發(fā)生的滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯(cuò)位的部位。

b、避開抗震不利地段

抗震不利地段就巖土特性而言是指軟弱土、液化土、以及平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（如故河道、斷層破碎帶、暗埋的塘濱溝谷及半填挖基礎(chǔ)等），就地形而言是指條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡的邊緣。

c、遠(yuǎn)離河岸。

d、不跨在兩類土層上。

e、不采用震陷工作天然地基。如：可液化土，軟弱土等。

三、建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)

在選擇結(jié)構(gòu)剛度時(shí)，取決于多種因素：結(jié)構(gòu)體系、材料特性、工程造價(jià)、建筑場(chǎng)地土的特性等方面，并非剛度越大越好。結(jié)構(gòu)的規(guī)則性一般指結(jié)構(gòu)平面布置均勻、對(duì)稱并具有較好的抗扭剛度；結(jié)構(gòu)豎向布置均勻、結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和質(zhì)量分布均勻、無突變。

為了保證結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和規(guī)則性，首先應(yīng)以建筑體型的簡(jiǎn)單性和規(guī)則性為前提。地震區(qū)的高層建筑，平面以方形、矩形、圓形為好，帶有較長(zhǎng)翼緣的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面不宜采用，因?yàn)檫@些平面的翼緣較長(zhǎng)，地震時(shí)容易發(fā)生差異側(cè)移而加重震害。

事實(shí)上，由于城市規(guī)劃、建筑藝術(shù)和使用功能等多方面的要求，建筑不可能都設(shè)計(jì)成方形或者圓形。我國(guó)《高層建筑混能土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3——2002）（簡(jiǎn)稱《高規(guī)》），對(duì)地震區(qū)高層建筑的平面形狀作了明確規(guī)定，并提出對(duì)這些平面的凹角處，應(yīng)采取加強(qiáng)措施；同時(shí)指出，當(dāng)平面突出部分的尺寸L/B<1、L/B max <0.3，且質(zhì)量和剛度在平面上的分布基本均勻?qū)ΨQ時(shí)，可以認(rèn)為屬于平面比較規(guī)則的建筑。

對(duì)稱結(jié)構(gòu)在地面平動(dòng)作用下，一般僅發(fā)生平移震動(dòng)，因而各構(gòu)件受力比較均勻，而非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由于剛心偏在一邊，質(zhì)心與重心不重合，即使在地面平動(dòng)作用下，也會(huì)激起扭轉(zhuǎn)震動(dòng)。1972年尼加拉瓜的馬那瓜地震，位于市中心的兩棟相鄰高層建筑的震害對(duì)比，有力的說明結(jié)構(gòu)偏心會(huì)帶來多大的危害。15層的中央銀行，有一層地下室，采用框架體系，兩個(gè)鋼筋混凝土電梯井和兩個(gè)樓梯間均集中布置在平面右端，同時(shí)右端山墻還砌有填充墻，造成很大偏心，地震時(shí)的強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)震動(dòng)，一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)用高達(dá)房屋原造價(jià)的80%。另一幢是18層的美洲銀行，有兩層地下室，采用對(duì)稱布置的鋼筋混凝土芯筒，地震后，僅3～17層連梁上有細(xì)微的裂縫，幾乎沒有其他非結(jié)構(gòu)部件的損壞。

地震區(qū)高層建筑的立面也要求采用矩形、梯形、三角形等均勻變化的形狀，盡量避免采用帶有突然變化的階梯形立面。我國(guó)《高規(guī)》規(guī)定：對(duì)于有抗震設(shè)防要求的建筑物，建筑的豎向體型應(yīng)力求規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)斂，當(dāng)立面收進(jìn)部分的尺寸比值符合B1/B≥0.75要求的建筑物，可以認(rèn)為是豎向較規(guī)則的建筑物。

多道抗震防線對(duì)保障結(jié)構(gòu)抗震的安全性至關(guān)重要。一般地震發(fā)生時(shí)地面強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，而且強(qiáng)震之后往往會(huì)跟隨一些余震，地震持時(shí)造成的損傷累積常常是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要原因。如果結(jié)構(gòu)僅有一道防線，則當(dāng)該道防線破壞后，后續(xù)的地震動(dòng)將會(huì)造成結(jié)構(gòu)的倒塌。但若有多道防線，則在第一道防線被沖壞后，第二道乃至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立刻發(fā)揮作用，抵擋后續(xù)的地震動(dòng)，使結(jié)構(gòu)免于倒塌，在遇到建筑物基本周期與地震動(dòng)卓越周期相同或接近的情況時(shí)多道防線就更顯示出其優(yōu)越性，從而提高建筑的抗震安全可靠度。

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