邱 一

抗震設(shè)計(jì)的目的在于確保地震發(fā)生時(shí)建筑結(jié)構(gòu)的完整性和功能的持續(xù)性，以減少生命和財(cái)產(chǎn)的損失。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)對安全性要求的提高，抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)研究和實(shí)踐已成為工程設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn)。尤其是在地震頻發(fā)的區(qū)域，建筑結(jié)構(gòu)必須遵循一系列抗震設(shè)計(jì)原則，并在設(shè)計(jì)過程中充分考慮各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

本文基于當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，綜合考慮了結(jié)構(gòu)的安全、功能和經(jīng)濟(jì)性，提出一套完善的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對關(guān)鍵技術(shù)處理方法進(jìn)行深入分析，旨在為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程背景簡析

本文案例工程為甘肅省某市某醫(yī)院分院建設(shè)項(xiàng)目，場地內(nèi)無建筑物拆遷，無需要保護(hù)的古跡、樹木，用地性質(zhì)為政府劃撥醫(yī)療用地，總用地面積為13326.77 m2（約1.33 hm2），由綜合樓、后勤樓、擬規(guī)劃中醫(yī)康養(yǎng)樓、室外地下醫(yī)療污水處理池和地下生物能鍋爐房組成。其中綜合樓是12 層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，占地面積為3897 m2，總建筑面積為18584.87 m2，其中地上建筑面積16058.74 m2，地下建筑面積為2526.13 m2。

該工程旨在滿足日益增長的醫(yī)療服務(wù)需求，并在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)提供緊急救援和醫(yī)療支持。考慮到醫(yī)院建筑的特殊性，不僅要保障醫(yī)院在地震發(fā)生時(shí)的穩(wěn)定性，還要確保醫(yī)療服務(wù)的連續(xù)性。在規(guī)劃階段，首先對該地區(qū)的地震發(fā)生頻率和強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)研究。同時(shí)，通過對歷史地震數(shù)據(jù)的回歸分析，得出了預(yù)期可能遭遇的最大地震強(qiáng)度，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況

建筑場地地層在勘探深度范圍內(nèi)現(xiàn)自上而下的情況，如表1 所示。

表1 甘肅省某市某醫(yī)院分院所在地區(qū)的地震帶特征信息

1.3 建筑類型與功能需求

該醫(yī)院綜合樓為一座12 層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，功能覆蓋急診、門診、病房、手術(shù)室及輔助設(shè)施，包括醫(yī)療氣體系統(tǒng)、電力應(yīng)急系統(tǒng)和信息通信系統(tǒng)。考慮到醫(yī)院的特殊性，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足醫(yī)療建筑的基本功能，還要提高其抗震性能。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了常規(guī)的安全性評價(jià)，還引入了彈塑性時(shí)間歷史分析，以評估在極端地震事件下的結(jié)構(gòu)性能。綜上所述，該醫(yī)院建筑的設(shè)計(jì)旨在確保在最不利的條件下，依然能夠保持結(jié)構(gòu)完整性，并繼續(xù)提供緊急服務(wù)。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

2.1 遵循的國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

根據(jù)規(guī)范，建筑設(shè)計(jì)加速度系數(shù)的基本值為0.2g（g為重力加速度，取值9.8 m2/s），響應(yīng)修正系數(shù)為1.0，建筑地震影響系數(shù)依據(jù)建筑的重要性、功能類別和震害預(yù)測進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步地，工程需參照《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50153―2008），確保結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用年限內(nèi)，在正常使用條件和罕遇地震作用下不發(fā)生破壞。此外，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010―2010）（2015年版），鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)須用足夠的延性設(shè)計(jì)，以確保在強(qiáng)震作用下能通過塑性變形耗散能量，避免脆性破壞。每項(xiàng)規(guī)范都提供了一個(gè)設(shè)計(jì)的基線，但在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還應(yīng)考慮結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w地質(zhì)、氣候條件和施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，進(jìn)行必要調(diào)整和優(yōu)化[1]。

2.2 安全性與功能性原則

在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，安全性與功能性是2 個(gè)基本且關(guān)鍵的原則。安全性原則要求建筑在地震作用下，首先要保證人員生命安全不受威脅。這意味著結(jié)構(gòu)在地震中必須保持整體穩(wěn)定，不發(fā)生垮塌[2]。為此，設(shè)計(jì)師采用了如下設(shè)計(jì)策略：第1，增加結(jié)構(gòu)的冗余性，如在關(guān)鍵支撐部位安裝多根支柱；第2，使用超出最低標(biāo)準(zhǔn)的材料和構(gòu)件，提高抗震能力；第3，引入耗能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如隔震支座和粘滯阻尼器，有效降低地震能量傳遞。功能性原則指建筑在地震后，除了保證不垮塌外，還必須保持關(guān)鍵功能的運(yùn)作，尤其是醫(yī)院這類公共安全建筑。對此，結(jié)構(gòu)不僅要具備足夠的強(qiáng)度和延性，還要有合理的剛度分布和良好的動(dòng)力特性，以控制結(jié)構(gòu)的位移和加速度響應(yīng)。

2.3 經(jīng)濟(jì)性與可操作性原則

抗震設(shè)計(jì)還必須考慮經(jīng)濟(jì)性與可操作性原則。經(jīng)濟(jì)性原則要求在滿足安全性與功能性的前提下，盡可能降低構(gòu)建和維護(hù)的成本。這要求設(shè)計(jì)師在材料選擇、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和施工方法上進(jìn)行權(quán)衡[3]。盡管高強(qiáng)度材料可能提供更好的抗震性能，但其成本也相對較高，因此需要評估不同材料的性價(jià)比，找到更加經(jīng)濟(jì)的方案?？刹僮餍栽瓌t強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)的可施工性和后期的可維護(hù)性。

3 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 結(jié)構(gòu)布局與配置

抗震設(shè)計(jì)的核心在于確保建筑在地震作用下的穩(wěn)定性和安全性。結(jié)構(gòu)布局在此起著至關(guān)重要的作用。在平面布局方面，建筑的形狀和對稱性對其抗震性能有顯著影響[4]。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保持建筑的平面形狀簡單且接近對稱，以減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。例如，平面布局宜采用矩形或近似正方形，并盡量避免復(fù)雜的幾何形狀。

考慮工程所在地區(qū)的地震特性，建筑平面的抗震設(shè)計(jì)可遵循以下原則：第1，建筑的剛心與質(zhì)心應(yīng)盡可能重合，以減少地震引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；第2，建筑的水平剛度和質(zhì)量分布應(yīng)均勻，以避免在地震作用下產(chǎn)生較大的剛度不連續(xù)和質(zhì)量不連續(xù)。

3.2 材料選擇與構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.2.1 抗震性能優(yōu)良的材料選擇

抗震性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料需具備良好的延性、強(qiáng)度和韌性。高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）以及高強(qiáng)度鋼材是典型的選擇。HPC 具有較高的初始剛度和優(yōu)異的能量耗散能力，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到60 MPa 以上，相較于常規(guī)混凝土（25 ～40 MPa）具有顯著優(yōu)勢[5]。HPC 中通常含有粉煤灰或硅灰等礦物摻合料，能提高混凝土的密實(shí)性和持久性，減少微裂縫的發(fā)生與發(fā)展率。對于鋼材，高強(qiáng)度鋼材（如Q345B，屈服強(qiáng)度為345 MPa）因其卓越的塑性變形能力和較高的屈服強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用于抗震構(gòu)件。相較普通碳鋼（如Q235，屈服強(qiáng)度為235 MPa），高強(qiáng)度鋼材能承受更大的應(yīng)力而不發(fā)生斷裂，從而在地震作用下為結(jié)構(gòu)提供更多的安全儲(chǔ)備。耐震設(shè)計(jì)中，也常采用鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中鋼筋的屈服強(qiáng)度不低于400 MPa，混凝土與鋼筋的配合使用進(jìn)一步增強(qiáng)了構(gòu)件的整體性能，使之在受到震動(dòng)時(shí)，即使混凝土開裂，鋼筋也能繼續(xù)承擔(dān)拉力，保障結(jié)構(gòu)的完整性。

3.2.2 構(gòu)件的抗震細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

在構(gòu)件的抗震細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵在于確保構(gòu)件可通過塑性變形耗散地震能量，避免脆性破壞。如柱子的箍筋設(shè)計(jì)是增強(qiáng)抗震性能的重要方面。規(guī)范的箍筋配置要求：箍筋間距通常不超過柱子最小尺寸的12 倍，并且箍筋直徑不小于6 mm[6]。在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)，箍筋間距應(yīng)縮減至箍筋直徑的4 ～6倍，提升節(jié)點(diǎn)區(qū)的延性和整體承載能力。梁的設(shè)計(jì)中同樣重視抗震細(xì)節(jié)，如梁的縱向鋼筋應(yīng)有充分的錨固長度以防止鋼筋滑移。梁的抗彎承載力設(shè)計(jì)要求梁縱向鋼筋的面積和強(qiáng)度能承受預(yù)期的最大彎矩。對于實(shí)際數(shù)據(jù)，考慮到常用的梁設(shè)計(jì)，如果采用直徑為20 mm 的HRB400 級(jí)鋼筋，梁的有效深度為450 mm，則4 根鋼筋的總面積將是1256 mm2。梁端的箍筋間距可能會(huì)從通常不超300 mm 減至100 mm或更小，以增加塑性鉸區(qū)的延性和承載能力。此外，為了增加結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，構(gòu)件連接處如梁與柱的連接，會(huì)采取額外的加固措施，如使用更多的箍筋、加強(qiáng)筋或者預(yù)制構(gòu)件連接技術(shù)。這些措施能夠確保在強(qiáng)烈地震影響下，結(jié)構(gòu)能保持完整，避免局部或整體崩塌。因此，構(gòu)件的抗震細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及面積、直徑、間距和錨固長度等多個(gè)參數(shù)的過程，這些參數(shù)共同確定了構(gòu)件的抗震性能。通過精確控制這些細(xì)節(jié)，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，確保其在地震發(fā)生時(shí)的安全性。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震關(guān)鍵技術(shù)處理分析

4.1 能量耗散機(jī)制與增防系統(tǒng)

4.1.1 能量耗散裝置的應(yīng)用

能量耗散裝置在減少建筑結(jié)構(gòu)受地震影響時(shí)的破壞，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些裝置可以減少入射地震波的能量，從而保護(hù)主結(jié)構(gòu)不受損害。金屬阻尼器，如鋼板剪切墻和粘滯阻尼器，已在多個(gè)高層建筑中應(yīng)用，并成功減少了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的幅度。數(shù)據(jù)表明，使用金屬阻尼器可以降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)高達(dá)30%。黏滯阻尼器則根據(jù)其設(shè)計(jì)規(guī)格，能夠提供不同等級(jí)的能量耗散，其中一些高性能黏滯阻尼器在大型結(jié)構(gòu)測試中顯示出能耗散超過50%的入射地震能量。

摩擦擺系統(tǒng)也作為一種能量耗散裝置，被廣泛用于橋梁和高層建筑中，實(shí)際案例顯示，摩擦擺系統(tǒng)能有效減少樓層加速度，提高結(jié)構(gòu)的安全性。為此，在建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)操作中，需要重點(diǎn)關(guān)注能量耗散裝置的應(yīng)用，由此強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，深入優(yōu)化建筑工程建設(shè)效果。

4.1.2 隔震與減震技術(shù)的整合

隔震技術(shù)與減震技術(shù)的結(jié)合為抗震設(shè)計(jì)提供了一種綜合防護(hù)策略。隔震系統(tǒng)通過在建筑物與其基礎(chǔ)之間安裝隔震支座，如高阻尼橡膠支座或滑動(dòng)支座，實(shí)現(xiàn)地震能量的隔離。實(shí)踐證明，這種技術(shù)可有效將地震能量轉(zhuǎn)移到建筑物的基礎(chǔ)之上，從而減少建筑主體的加速度和位移響應(yīng)。如在采用隔震技術(shù)的建筑物中，地震引起的位移可降至70%，顯著提高了建筑物的安全性和功能性。減振技術(shù)，如調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD），通過在結(jié)構(gòu)中安裝質(zhì)量塊吸收并減少振動(dòng)，能進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。TMD 被證明能減少結(jié)構(gòu)響應(yīng)20%～30%，特別是在控制高層建筑的頂部擺動(dòng)方面。將隔震與減震技術(shù)相結(jié)合，可利用隔震系統(tǒng)提供的初始防護(hù)和減震系統(tǒng)在高頻地震活動(dòng)下的額外保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對建筑物的全面保護(hù)。

4.2 結(jié)構(gòu)連接與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.2.1 抗震節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

抗震節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)對于提升結(jié)構(gòu)抗震性能至關(guān)重要。節(jié)點(diǎn)通常指的是梁與柱、柱與基礎(chǔ)、梁與梁交接的部分，它們必須能承受在地震作用下產(chǎn)生的力量和變形。具體而言，梁柱節(jié)點(diǎn)需設(shè)計(jì)為能在不同加載條件下維持其完整性，并保持足夠的延性。數(shù)據(jù)表明，抗震節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以通過增加梁端箍筋的密度，將節(jié)點(diǎn)的延性提高至少25%。此外，避免過度的節(jié)點(diǎn)剪切力也是設(shè)計(jì)中考慮的一部分，因此在節(jié)點(diǎn)區(qū)可能采用的箍筋間距不會(huì)超過100 mm。

4.2.2 連接件的選擇與布置

鋼結(jié)構(gòu)的連接和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是確保整個(gè)建筑物在地震力作用下能安全運(yùn)行的關(guān)鍵。重點(diǎn)應(yīng)放在以下方面：

1）強(qiáng)度與延性。連接件和節(jié)點(diǎn)必須具備足夠的強(qiáng)度來承受計(jì)算出的地震力，也要有良好的延性，以便在地震作用下能夠發(fā)生塑性變形，從而吸收和耗散地震能量，避免脆性破壞。

2）連接件的選型。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)倪B接件，如高強(qiáng)度螺栓和焊接接頭，這些連接件能夠承受重復(fù)的載荷反轉(zhuǎn)。對于焊接，需要確保焊縫足夠韌性，并通過適當(dāng)?shù)臋z測確保焊接質(zhì)量。高強(qiáng)度螺栓連接應(yīng)考慮預(yù)緊力的控制和長期使用中的疲勞問題。

3）節(jié)點(diǎn)的配置。節(jié)點(diǎn)配置應(yīng)優(yōu)化以確保力的均勻傳遞，避免應(yīng)力集中。這可能包括使用加勁肋或板，以及確保節(jié)點(diǎn)區(qū)域有足夠的剛度和強(qiáng)度。

4）預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)要素。在某些結(jié)構(gòu)中，可能會(huì)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來減少因地震造成的永久變形。預(yù)應(yīng)力能夠提供額外的壓縮力，有助于抵抗地震造成的拉伸力，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。

5）細(xì)部設(shè)計(jì)。連接和節(jié)點(diǎn)的細(xì)部設(shè)計(jì)需要符合當(dāng)前的抗震規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。如可能需要考慮節(jié)點(diǎn)的過盈配合、鋼板厚度、螺栓間距和排列等因素。

5 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要在遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的基礎(chǔ)上，綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性、功能性和經(jīng)濟(jì)性。通過對工程概況的深入理解，結(jié)合地震帶特性、建筑類型和功能需求，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的抗震設(shè)計(jì)。

本文從設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要點(diǎn)到關(guān)鍵技術(shù)處理等多個(gè)維度進(jìn)行了探討，旨在提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。設(shè)計(jì)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都不容忽視，從結(jié)構(gòu)布局與配置到材料選擇，再到構(gòu)件設(shè)計(jì)與動(dòng)力特性，每個(gè)要素都對構(gòu)筑抗震安全屏障至關(guān)重要。同時(shí)，對于能量耗散機(jī)制、結(jié)構(gòu)連接與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，也必須進(jìn)行精確分析與實(shí)施?？傊?，通過全面而深入地分析和設(shè)計(jì)，可以有效提高建筑在面對地震挑戰(zhàn)時(shí)的安全性，為保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。