吳夢(mèng)星

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214063)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震性能要求越來(lái)越高，尤其是底層墻體較少，或者某一側(cè)縱向無(wú)墻體的房屋建筑[1]。例如，底層為車庫(kù)或者商鋪的房屋建筑，這些建筑存在相同的特點(diǎn)，即對(duì)底層的使用空間需求較大，需要大量開洞，導(dǎo)致縱向抗側(cè)剛度分布不均勻，同時(shí)水平方向抗側(cè)剛度也出現(xiàn)此類情況[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，此類型建筑在地震中遭受破壞程度較大，本文針對(duì)此類型房屋建筑的抗震設(shè)計(jì)展開研究。

1 房屋建筑抗震設(shè)計(jì)

1)抗震設(shè)計(jì)的重要性。近年來(lái)，我國(guó)城市地震發(fā)生較為頻繁，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，并且對(duì)人們的人身安全造成了威脅。從房屋建筑結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，當(dāng)前大部分房屋建筑設(shè)計(jì)缺少抗震性能的優(yōu)化，以建筑建設(shè)基本要求為主，因抗震建筑建設(shè)技術(shù)落后，剛度控制不佳，導(dǎo)致地震災(zāi)害對(duì)人們的生活造成較大影響[3]。隨著城市化的快速發(fā)展，城市人口密集度將持續(xù)增加，樓房建筑占據(jù)比例越來(lái)越高。為了打造便利的生活條件，很多樓房建筑以“底商+住房”結(jié)構(gòu)為主，在底層設(shè)置了底商，以便人們購(gòu)買生活必備品[4]。所以，如何加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，減少地震帶來(lái)的危害，成為了當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的待解決問(wèn)題。

2)抗震設(shè)計(jì)基本原則。

(1)簡(jiǎn)化性。簡(jiǎn)化房屋建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)提升建筑抗震性能幫助較大[5]。因此，在將抗震設(shè)計(jì)融入到房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中時(shí)，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)，避免過(guò)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)。對(duì)于本文研究的底商型房屋建筑，需要預(yù)留足夠的活動(dòng)空間，從設(shè)計(jì)技術(shù)和性能提升兩個(gè)角度出發(fā)，改善建筑抗震性能。

(2)抵抗性。建筑抵抗性是保證抗震性能的關(guān)鍵，要求合理控制建筑結(jié)構(gòu)中各個(gè)部位的剛度，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合力學(xué)分析，檢驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[6]。當(dāng)建筑遭遇地震時(shí)，加強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)受力平衡，以此抵御地震帶來(lái)的破壞。

(3)整體性。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)全面，將建筑整體作為設(shè)計(jì)對(duì)象，僅提升某一部位的抗震性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果[7]。所以，要求科學(xué)且全面地分析各項(xiàng)影響因素，根據(jù)建筑所處地區(qū)實(shí)際情況，針對(duì)存在的震害，提出抗震優(yōu)化策略。

2 抗震設(shè)計(jì)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1)設(shè)計(jì)前期的震害調(diào)查。據(jù)調(diào)查，我國(guó)城市大部分房屋建筑以3層砌體結(jié)構(gòu)為主，為了創(chuàng)造生活便利條件，在1層設(shè)置了底商或者車庫(kù)。這兩種建筑中，縱向一側(cè)無(wú)墻體頗多，選取混凝土作為墻體施工材料，打造梁柱結(jié)構(gòu)。然而，此結(jié)構(gòu)中柱截面偏小，與其項(xiàng)對(duì)應(yīng)的墻面為磚砌體墻。除了第1層以外，從第2層開始向上數(shù)的其他樓層均采用常規(guī)砌體施工。從建筑結(jié)構(gòu)布局角度來(lái)分析，此類型房屋建筑的上層建筑與下層建筑墻體不對(duì)齊，沿著豎向方向墻體存在不連續(xù)特點(diǎn)。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，部分房屋雖然未倒塌，但是大部分房屋都出現(xiàn)了不同程度的損壞，導(dǎo)致居民無(wú)法正常在房屋中活動(dòng)。例如，某商住房屋建筑，在遭受地震后，1層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞最為嚴(yán)重。該建筑1樓的梁柱結(jié)構(gòu)利用混凝土打造，呈現(xiàn)“L”型，建筑的背面布設(shè)了砌體墻，其他樓層為常規(guī)建設(shè)[8]。從結(jié)構(gòu)分布來(lái)看，一層建筑較其他樓層建筑結(jié)構(gòu)更為薄弱，穩(wěn)定性較差，容易在地震時(shí)發(fā)生垮塌。圖1所示為某房主建筑底商震害情況。圖1中，建筑梁柱破壞極其嚴(yán)重，鋼筋彎曲，混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。

圖1 某房主建筑底商震害情況

2)設(shè)計(jì)方案。對(duì)于1層是底商或者車庫(kù)的房屋建筑，往往通過(guò)加強(qiáng)橫墻承重來(lái)提高建筑穩(wěn)定性，忽略了縱向抗側(cè)力構(gòu)件有效處理，導(dǎo)致建筑整體抗震性能薄弱。為了解決此問(wèn)題，本文將此類型建筑看作多層砌體房屋，盡可能簡(jiǎn)化房屋建筑結(jié)構(gòu)，從技術(shù)層面和剛度控制層面出發(fā)，提出可行性較高的抗震性能提升策略。

(1)基于技術(shù)層面的設(shè)計(jì)?？紤]到房屋建筑的縱向抗震性能薄弱，提出縱向抗震結(jié)構(gòu)處理技術(shù)方案：①無(wú)論是底商還是車庫(kù)，位于一層的建筑通行門軸線的處理非常重要，以抗震墻砌體設(shè)計(jì)要求，合理布設(shè)1層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在縱向增加抗震墻數(shù)量，確保上墻體框架與下墻體框架能夠?qū)R，檢查梁柱對(duì)齊情況，嚴(yán)格按照建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，有效控制建筑二層側(cè)向剛度與沿著軸線處的一層框架結(jié)構(gòu)剛度比值；②采用均勻布設(shè)方法，調(diào)整1層建筑的軸線混凝土抗震墻，從原有的不均勻分布調(diào)整為均勻分布，要求以軸線為參照對(duì)象，兩側(cè)對(duì)稱布置。如果1層建筑為單開門建筑，則以側(cè)向剛度作為調(diào)整對(duì)象，重新布設(shè)1層側(cè)向剛度體系，從而避免地震期間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；③以外縱墻底層混凝土構(gòu)件作為優(yōu)化對(duì)象，其與橫向墻體建立連接，打造整體穩(wěn)定性較強(qiáng)的建筑結(jié)構(gòu)。其中，抗震墻體和梁柱框架為重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象。

(2)基于剛度控制層面的設(shè)計(jì)。為了提升建筑墻的抗震性能，提升軸線豎向剛度顯得尤為重要，要求嚴(yán)格按照建筑抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)范，加強(qiáng)豎向剛度比設(shè)置，以位于底層框架中的抗震墻作為主要設(shè)計(jì)對(duì)象。依據(jù)震害調(diào)查結(jié)果可知，底部框架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用復(fù)合材料打造混合結(jié)構(gòu)，不利于建筑抗震性能的提升。為了優(yōu)化此部分設(shè)計(jì)，本研究利用以下剛度比計(jì)算公式，對(duì)建筑抗震墻的剛度比進(jìn)行計(jì)算分析：

式中，K1為房屋建筑底層剛度；K2為房屋建筑2層剛度；∑Kω為混凝土抗震墻側(cè)向剛度；∑Kf為位于底層的框架側(cè)向剛度；∑Kbω為位于底層的抗震墻側(cè)向剛度。

利用計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)剛度，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)剛度控制規(guī)范：①底層抗震墻剛度控制：以抗震墻在地震期間發(fā)生的彎曲形變作為設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)合剪切形變情況，計(jì)算剛度控制限值，獲取這兩種情況下的剛度控制范圍；②底層框架剛度控制：根據(jù)建筑抗震性能需求，假定框架梁剛性指標(biāo)要求，選擇彎曲變形剛度作為唯一指標(biāo)，對(duì)框架柱剛度范圍進(jìn)行限定；③砌體抗震墻剛度控制：該項(xiàng)性能指標(biāo)的控制，需要根據(jù)墻體的高度和寬度比值來(lái)確定，當(dāng)比值低于1時(shí)，以剪切作為控制依據(jù)，避免發(fā)生形變，設(shè)定剛度控制范圍；當(dāng)比值不低于1，且不高于4時(shí)，在剪切形變基礎(chǔ)上，增加彎曲指標(biāo)，設(shè)定剛度控制范圍；當(dāng)比值高于4時(shí)，采用等效處理法，令側(cè)向剛度數(shù)值為0；④嵌砌的砌體抗震墻剛度控制：此部分剛度較為嚴(yán)格，除了墻體的彈性側(cè)移剛度以外，還增加了框架彈性側(cè)移剛度，兩者之和為剛度控制限定值。

3 工程案例

1)工程概況。本文以某房屋建筑工程為例，根據(jù)抗震需求，設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防等級(jí)為丙類。該房屋為7層建筑，建筑體系采用砌體結(jié)構(gòu)布設(shè)。其中，1層作為車庫(kù)，2層以上作為辦公場(chǎng)所，采用混凝土現(xiàn)澆筑方法建設(shè)。該工程總建筑面積為365 m2左右，縱向長(zhǎng)度大約為19.25 m，橫向建筑長(zhǎng)大約5.50 m左右。由于工程建筑的縱向南側(cè)無(wú)墻體，很難滿足抗震性能需求。為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，本研究提出了兩種抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2)房屋建筑抗震設(shè)計(jì)。

(1)平面設(shè)計(jì)。1層建筑高度3.3 m，其他樓層建筑高度均為3.0 m，內(nèi)墻、外墻厚度分別為240、360 mm，截住面尺寸大小為480 mm×360 mm。除了樓梯以外，一樓布設(shè)了5個(gè)車庫(kù)。如圖2所示為建筑1層平面設(shè)計(jì)。

圖2 建筑一層平面設(shè)計(jì)(單位：mm)

關(guān)于2層至7層建筑平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相同，均采用普通磚砌體墻布設(shè)，縱向框架結(jié)構(gòu)對(duì)齊，外側(cè)增加陽(yáng)臺(tái)部分，除了建筑高度不同，其余參數(shù)尺寸與1層平面設(shè)計(jì)中的參數(shù)數(shù)據(jù)相同。

(2)加固設(shè)計(jì)。為了加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，本文提出兩種加固設(shè)計(jì)方案，分別如圖3～4所示。

圖3 加固方案1(單位：mm)

圖4 加固方案2(單位：mm)

圖3中，在建筑兩端開間位置，采取增加墻體厚度的方式，改善抗震性能。其中，混凝土墻體厚度調(diào)整為500 mm，即在原來(lái)基礎(chǔ)上增加了250 mm。與此同時(shí)，在墻體上開洞，為庫(kù)房使用提供便利條件。該方案的缺點(diǎn)在于車庫(kù)數(shù)量減少了兩個(gè)，但是車庫(kù)使用舒適性明顯提升，入門空間得以擴(kuò)大。

圖4中，與加固方案1不同的是，在原有建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加混凝土翼墻厚度，寬度大約300 mm。該加固方案雖然可以保證車庫(kù)數(shù)量不減，但是入門空間變得狹小，降低了使用舒適度。

3)抗震性能測(cè)試分析。

以上提到的兩種加固方案各具優(yōu)勢(shì)，對(duì)于其剛度比是否可以達(dá)到優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步計(jì)算分析，如果剛度比在1.0～1.5，則認(rèn)為此剛度比達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。表1所示為不同加固方案的剛度比計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

表1 不同加固方案的剛度比計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，兩種加固方案的剛度比均在1.3左右，符合1.0～1.5標(biāo)準(zhǔn)。因此，可以根據(jù)建筑使用需求，從中選擇一種加固方案。

4 總 結(jié)

房屋建筑抗震性能的提升，是為人們提供安全活動(dòng)場(chǎng)所的關(guān)鍵。只有改善建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，才能夠減少地震災(zāi)害造成的損失，為人們的人身安全提供保障。本文以砌體房屋建筑為例，探究此類型建筑抗震性能提升策略。通過(guò)調(diào)查震害實(shí)際情況，提出抗震建筑結(jié)構(gòu)加固方案。計(jì)算結(jié)果表明，兩種加固方法均滿足抗震性能要求。決策中，可以根據(jù)建筑使用需求，確定最佳抗震設(shè)計(jì)方案。

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