王道任

山東省龍口市城鄉(xiāng)建設(shè)事務(wù)服務(wù)中心（265701）

0 前言

在我國(guó)民用建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)是建筑整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時(shí)也是我國(guó)民用建筑設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。我國(guó)近幾年大中城市外來(lái)人口急劇增長(zhǎng)，城市的用地緊張，高層民用住宅的需求量越來(lái)越大。對(duì)于高層住宅而言，抗震理念設(shè)計(jì)顯得更加重要。這就要求設(shè)計(jì)師根據(jù)各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，進(jìn)行不同形式的抗震設(shè)計(jì)。

1 抗震理念的發(fā)展目標(biāo)

我國(guó)自古以來(lái)就經(jīng)常發(fā)生地震災(zāi)害。如我國(guó)在1976年發(fā)生的唐山大地震，就是亞歐板塊與環(huán)太平洋板塊地震帶擠壓而產(chǎn)生的，包括后來(lái)的四川省汶川大地震，這些地震深深影響著我國(guó)人民的心理。我國(guó)政府于是痛定思痛，重新調(diào)整了民用建筑的抗震理念。因?yàn)樵谖覈?guó)的地震中，建筑物損壞、倒塌問(wèn)題比較常見(jiàn)，究其原因都是由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)水平比較低而引起的。我國(guó)的抗震理念的發(fā)展目標(biāo)在政府的支持下，逐漸朝著規(guī)范化、制度化發(fā)展。在現(xiàn)階段民用建筑的抗震設(shè)計(jì)中，目標(biāo)是以民用建筑所在地區(qū)的地震大小作為參考，來(lái)改變建筑結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件來(lái)提升承載力，并且通過(guò)設(shè)計(jì)師的結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)分析建筑物的彈性變形情況，經(jīng)過(guò)多重要素的分析，最后確定抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)現(xiàn)階段的抗震理念有著明確要求，要保證民用建筑可以抵抗第三水準(zhǔn)的地震，從而最大程度避免地震對(duì)建筑穩(wěn)定性構(gòu)成負(fù)面影響[1]。

2 民用建筑的結(jié)構(gòu)特征

2.1 磚木結(jié)構(gòu)

民用建筑的磚木結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，顧名思義，主要包含磚結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)兩種形式。具體而言，主體、墻體等一些負(fù)責(zé)豎向承重的結(jié)構(gòu)，主要為磚材質(zhì)；而屋架、樓板等橫向結(jié)構(gòu)，則為木材質(zhì)。磚木結(jié)構(gòu)有著易準(zhǔn)備、費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，不會(huì)為工程帶來(lái)較大成本投入，一般都用于農(nóng)村房屋的建設(shè)。在結(jié)構(gòu)表現(xiàn)上，磚木結(jié)構(gòu)空間分隔方便，施工工藝簡(jiǎn)單，施工材料單一，不過(guò)磚木結(jié)構(gòu)建造出的房屋，往往使用年限較短，并且極容易被地震摧毀，造成居住者有人財(cái)兩失的危險(xiǎn)。

2.2 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)形式的一種，在民用建筑中并不鮮見(jiàn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是由框架梁、柱共同承擔(dān)主要的荷載。框架中的非承重墻，在功能上主要用于分隔空間。這些后砌墻只需要承擔(dān)自身的重量，不承受其他任何方式的負(fù)重?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，墻體材料一般都是采用新型環(huán)保材料，自身重量不大，而且建筑內(nèi)部平面布置十分靈活，在需要較大的空間時(shí)，框架結(jié)構(gòu)往往可以表現(xiàn)出色。但是框架結(jié)構(gòu)在抗震方面有著明顯的缺點(diǎn)，原因是框架結(jié)構(gòu)本質(zhì)上為柔性結(jié)構(gòu)框架，不具備較大側(cè)向剛度，往往在強(qiáng)地震下，框架結(jié)構(gòu)在水平上發(fā)生的位移比較大，對(duì)建筑物整體穩(wěn)定性易造成較大負(fù)面影響。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的建筑越來(lái)越多地用于居民樓建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)是指主體材料為鋼材質(zhì)，包括柱、梁都是鋼材質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)由于其自身的輕便以及施工的簡(jiǎn)便，大規(guī)模用于我國(guó)廠房、住宅等的建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)也是各種建筑結(jié)構(gòu)中抗震性能較好的。地震強(qiáng)度低時(shí)建筑基本不會(huì)被破壞，當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度高時(shí)也能保證整個(gè)建筑不會(huì)出現(xiàn)大面積坍塌。但是鋼結(jié)構(gòu)的施工費(fèi)用比較高，防火性能比較差。

2.4 砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)相對(duì)較為常見(jiàn)，又稱(chēng)磚混結(jié)構(gòu)。一般的砌體結(jié)構(gòu)適合開(kāi)間規(guī)整、層數(shù)不多的建筑。如果建筑層數(shù)較少，房間面積不大，則砌體結(jié)構(gòu)適用性較強(qiáng)。砌體結(jié)構(gòu)由于承重構(gòu)件主要為砌體，遇到地震時(shí)，較容易發(fā)生脆性破壞，坍塌的可能性較大，最終發(fā)生不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失和生命危險(xiǎn)[2]。

3 不同建筑結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

3.1 磚木結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

磚木結(jié)構(gòu)一般沒(méi)有抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)措施。由于木屋架、檁條等結(jié)構(gòu)連接不穩(wěn)定，受到地震力作用，容易對(duì)磚木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向和豎向的牽引力，破壞不同構(gòu)件的正常連接，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體或部分倒塌，造成重大災(zāi)害。

3.2 框架結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

框架結(jié)構(gòu)的箍筋鉤長(zhǎng)度太短，在地震環(huán)境下很容易導(dǎo)致錨固效應(yīng)失效，從而令混凝土約束力受到影響，無(wú)法正常保持支持鋼筋的縱向力。例如底層填充墻，窗下的墻將框架的長(zhǎng)柱變?yōu)槎讨?，從而?dǎo)致剪切破壞。結(jié)構(gòu)間變形縫間距一般過(guò)小，地震時(shí)建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，造成相互碰撞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的建筑物一般不用，因此不會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的后果，但也會(huì)對(duì)建筑物外立面的美觀性造成較大影響，極大增加建筑使用者心理負(fù)擔(dān)，影響震后使用，框架填充墻損壞嚴(yán)重。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

切割連接的結(jié)構(gòu)件，連接方式無(wú)外乎焊接或鉚接。若焊縫連接不達(dá)標(biāo)，則節(jié)點(diǎn)區(qū)域可能存在應(yīng)力集中和低應(yīng)力現(xiàn)象，在地震中容易發(fā)生連接損壞。梁、柱節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，例如鉚接斷裂、焊接件錯(cuò)位、加勁肋斷裂類(lèi)型及屈曲、腹板斷裂及屈曲等。當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大時(shí)，支座承受反復(fù)拉壓的軸力，一旦軸力超過(guò)構(gòu)件的屈曲臨界力，就會(huì)發(fā)生失效或失穩(wěn)[3]。

3.4 砌體結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

對(duì)于剛性樓板的民用建筑，上層損傷較輕，下層損傷較重；對(duì)于柔性樓板建筑，上層的損壞較重，下層的破損壞較輕。橫向承重建筑的震害比縱向承重建筑輕；固體地基上建筑物的震害輕于軟弱地基和不均勻地基；預(yù)制樓板結(jié)構(gòu)的損傷較現(xiàn)澆樓板結(jié)構(gòu)大；游廊房屋經(jīng)常受到地震的嚴(yán)重破壞；房屋兩端、轉(zhuǎn)角、樓梯及附屬結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重。

可以看出，即使是同樣的地震情況，建筑結(jié)構(gòu)也會(huì)因自身抗震設(shè)計(jì)情況，出現(xiàn)不同損傷。因此，抗震應(yīng)結(jié)合不同因素，包括結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地震反應(yīng)特征、地震破壞模式等提高設(shè)計(jì)的針對(duì)性。

4 基于抗震理念進(jìn)行民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

高層建筑結(jié)構(gòu)通常會(huì)以框架剪力墻體系為主，此類(lèi)框架結(jié)構(gòu)靈活性較強(qiáng)，剛度和抗震性能整體較好，在面臨水平方向力時(shí)，框架與剪力墻相互之間可以共同工作。具體而言，豎向載荷主要由框架承擔(dān)，水平方向的剪力主要由剪力墻承擔(dān)。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為防止剪切力破壞墻肢，實(shí)現(xiàn)抗震能力的有效提升，可通過(guò)將阻尼裝置設(shè)置于建筑連接縫、支撐、剪力墻等處，通過(guò)非線性摩擦滯回變形原理，達(dá)到吸收地震能量的目的，減少結(jié)構(gòu)水平方向和豎向地震反應(yīng)，防止建筑整體結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步破壞。

4.1 合理設(shè)置隔震裝置

想要合理設(shè)置隔震裝置，就要明白隔震技術(shù)如何使用。隔震技術(shù)的應(yīng)用就是指在基礎(chǔ)頂面和上部結(jié)構(gòu)之間，安裝一層具有可靠性的隔震層，將基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)來(lái)，有效控制上部荷載的傳遞。這就要求設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及本地區(qū)的地震烈度情況選用合理的隔震減震裝置。例如，黏彈性條板式減震裝置就是一種十分低廉的隔震裝置，十分適合我國(guó)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的住宅建設(shè)。各種不同的隔震裝置中，黏彈性條板式減震裝置通常會(huì)在框架范圍設(shè)置，組裝方式形似“八”字，能最大程度避免地震波令建筑物出現(xiàn)水平位移的情況，避免建筑物中人身財(cái)產(chǎn)安全受到較大威脅。實(shí)踐證明，黏彈性條板式減震裝置建造的價(jià)格比市面上的其他減震裝置低，而且防震隔震效果更好，在大地震中基本可以保證建筑物的震動(dòng)強(qiáng)度減少50%，能有效減少地震力。

4.2 建立抗震防線

在抗震設(shè)計(jì)中，抗震防線的建立是至關(guān)重要的一環(huán)。例如，在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要求建筑整體在小幅和中幅地震波動(dòng)下不受影響，若連梁結(jié)構(gòu)受到地震影響失效，其他結(jié)構(gòu)同樣需要達(dá)到承載要求，防止建筑整體出現(xiàn)倒塌情況。另外，相關(guān)設(shè)計(jì)要求規(guī)定，應(yīng)以剪力的20%為標(biāo)準(zhǔn)，控制框架柱剪力要求，也要根據(jù)要求放大地震力。這種情況下，就算剪力墻在地震環(huán)境中不堪重負(fù)，框架柱仍具有一定的承載能力，從而令結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性達(dá)到要求?？拐鸱谰€是預(yù)防地震破壞影響的一種重要方式。在做好地震防線的同時(shí)，還要根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)體系，提高地震預(yù)防政策制定的針對(duì)性，通過(guò)此前發(fā)生地震的數(shù)據(jù)，采取合理的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)要求。

4.3 提升民用建筑弱承部位的抗震性能

在民用住宅的房屋設(shè)計(jì)中，墻體和柱的設(shè)計(jì)都是按照房屋的抗震需要布置的。屋內(nèi)的絕大多數(shù)地方不可以進(jìn)行改造，否則就會(huì)破壞了整個(gè)房屋的整體防震設(shè)計(jì)，遇到地震時(shí)就會(huì)發(fā)生不可挽回的后果。例如，民用建筑的剪力墻，在剪力墻拆除后，就可能導(dǎo)致該樓層甚至整座建筑的內(nèi)力重新分布。如果發(fā)生強(qiáng)震，有可能會(huì)導(dǎo)致整體倒塌。所以，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)重點(diǎn)部位提高抗震措施，盡力加強(qiáng)和保護(hù)整個(gè)建筑的弱承部位。一些建筑團(tuán)隊(duì)往往存在偷工減料的現(xiàn)象，這就要求建筑團(tuán)隊(duì)內(nèi)部要加強(qiáng)監(jiān)管，嚴(yán)格把控民用住宅的弱承部位[4]。

5 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要思路

首先，應(yīng)當(dāng)通過(guò)合理的剛度分布，提高控制的適應(yīng)性，使在地震情況下建筑物整體梁、墻等結(jié)構(gòu)的變形向非彈性變形過(guò)渡，最大程度減少地震能量對(duì)建筑整體的影響，避免建筑倒塌。在這種設(shè)計(jì)思想下，建筑整體結(jié)構(gòu)不僅要達(dá)到結(jié)構(gòu)功能的使用要求，而且應(yīng)保證達(dá)到抗震要求。為將抗震設(shè)計(jì)的局限性降至最低，應(yīng)將地震重現(xiàn)期納入考量的各項(xiàng)因素中，進(jìn)一步規(guī)范抗震設(shè)計(jì)。

其次，通過(guò)構(gòu)造方法加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，這也是抗震設(shè)計(jì)中各項(xiàng)工作中的重中之重，盡可能提高變形能力，防止薄弱層出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)抗震性能的有效提升。

最后，建筑結(jié)構(gòu)性能應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在建筑理念上，從傳統(tǒng)重視安全結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)為重視建筑性能，結(jié)合多種因素在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)出創(chuàng)新要求。抗震設(shè)計(jì)也一樣，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合不同目標(biāo)性能，進(jìn)一步細(xì)化建筑使用要求，在明確建筑產(chǎn)生效益的基礎(chǔ)上，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，減少抗震設(shè)計(jì)的過(guò)多投入，有效控制成本，從而提升建筑工程整體質(zhì)量。

6 民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念與工程實(shí)例分析

青島某建筑工程項(xiàng)目地上26層，地下3層，總建筑面積約6萬(wàn)m2。其中地下3層為車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房。1～3層為商場(chǎng)，4～5層為辦公用房，6層為設(shè)備轉(zhuǎn)換層，7～26層為住宅層。7層樓用作結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

建筑總高出地面85 m，以框架剪力墻作為主體結(jié)構(gòu)，柱截面800 mm×1 200 mm、900 mm×1 200 mm，墻厚200～400 mm，裙樓板厚110 mm，住宅板厚100 mm，屋面板厚120 mm，轉(zhuǎn)換層板厚180 mm，梁截面為200 mm×400 mm～250 mm×600 mm，轉(zhuǎn)換層框架梁為400 mm×1 400 mm～500 mm×1 600 mm。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，本工程平面及豎向規(guī)整性指標(biāo)中有四項(xiàng)存在不符合現(xiàn)象。

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則性。如果將地震可能產(chǎn)生的偏心影響考慮在內(nèi)，則應(yīng)以1.2倍樓層平均值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算高層建筑豎向構(gòu)件可能存在的水平位移最大值。該值應(yīng)為1.2～1.4倍，本工程最大值為1.31，屬于Ⅰ類(lèi)扭轉(zhuǎn)不平順。

2）不規(guī)則凹凸。該T型孔型框架結(jié)構(gòu)平面最大凸出尺寸L=17.25 m，Bmax=41.30 m，比值為41.8%，大于35%。

3）樓板局部不連續(xù)。電梯間局部樓板凈寬度最小值為3 m，規(guī)范要求，樓板凈寬度最小值應(yīng)在5 m以下，符合有關(guān)要求。

4）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)?？蚣芗袅νㄟ^(guò)轉(zhuǎn)換梁傳遞到框架柱上，轉(zhuǎn)換梁為Ⅱ類(lèi)豎向抗側(cè)力構(gòu)件，不連續(xù)，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范。

從工程實(shí)例可以看出，從抗震理念的角度來(lái)看，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的最終目的是保護(hù)生命安全?？拐鹪O(shè)計(jì)不僅要防止建筑物倒塌，而且要根據(jù)建筑物的用途和重要性，有效地控制建筑物受損程度。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的安全意識(shí)在不斷加強(qiáng)，經(jīng)過(guò)很多次地震的洗禮后，民用建筑的抗震理念必須體現(xiàn)在每一個(gè)樓盤(pán)中。加強(qiáng)民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的研究，是對(duì)我國(guó)居民人身財(cái)產(chǎn)安全的基本保障，也是增強(qiáng)我國(guó)居民幸福感的一個(gè)重要因素。加強(qiáng)抗震理念的建設(shè)，勢(shì)必會(huì)使我國(guó)民用建筑達(dá)到更高的層面。