建筑工程抗震設(shè)計探討
摘要：在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時，不能完全依賴地震作用計算，更要綜合考慮多種因素，切實(shí)做好建筑抗震設(shè)計。本文分析了抗震設(shè)計的一般原則， 對城市建設(shè)中建筑抗震設(shè)計問題進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：建筑工程 抗震設(shè)計
地震是地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動的產(chǎn)物，是普遍存在的一種自然現(xiàn)象，由于地震作用的隨機(jī)性、 復(fù)雜性、 藕聯(lián)性，每次地震所產(chǎn)生的波形各異，因而其對建筑物的作用各不相同，所產(chǎn)生的破壞程度也千差萬別。 地震對建筑物的作用與建筑物自身所固有的自振周期、 場地土的動力特性有關(guān)，但因結(jié)構(gòu)計算中計算模型、自振周期、 材料性能、 基礎(chǔ)類型以及阻尼變化等均與實(shí)際情況存在差異，使得抗震計算時所考慮的地震作用無法準(zhǔn)確估算，因而，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時，不能完全依賴地震作用計算，更要綜合考慮多種因素，切實(shí)做好建筑抗震設(shè)計。
一、 抗震設(shè)計的一般原則
1、場地和地基
建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞情況有四種：
(1)地震時，在水平和豎向振動作用下，建筑物的內(nèi)力和變形驟增，甚至結(jié)構(gòu)的受力形式發(fā)生改變，最終導(dǎo)致建筑物承載力不足甚至于喪失或者變形過大而破壞。
(2)地震作用下，由于節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足 延性不夠 錨固失效，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺乏可靠的連接，建筑物喪失整體性而遭破壞。
(3)地震作用下，由于地基承載力下降或地基土液化，使得地基部分失效甚至于完全失效，最終導(dǎo)致建筑物傾斜、 倒塌。
(4)由地震引發(fā)的次生災(zāi)害如火山 、洪水、 滑坡、 泥石流等造成建筑物的嚴(yán)重破壞。所以場地的選擇是建筑抗震設(shè)計成功的第一步，從選址工作開始就應(yīng)該選擇對抗震有利的地段，盡量避開不利的地段，避不開時應(yīng)采取有效措施確保地基的穩(wěn)定性;任何情況下均不考慮在抗震危險地段建造建筑物。
2、規(guī)則性建筑
在建筑的方案設(shè)計階段就應(yīng)該盡量采用規(guī)則建筑方案，即建筑平、 立、 剖應(yīng)規(guī)則、 簡單、 對稱;結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、 材料強(qiáng)度和質(zhì)量的分布應(yīng)均勻、 連續(xù)，無突變，因?yàn)椴灰?guī)則的建筑在水平地震作用下也會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，進(jìn)而破壞。
3、合理的結(jié)構(gòu)體系
一個合理的結(jié)構(gòu)體系，首先應(yīng)有明確的計算簡圖和合理、 簡潔的傳力途徑，對于不規(guī)則建筑，應(yīng)采用空間計算模型計算地震力，考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)影響，使其更接近實(shí)際工況。 不在同一結(jié)構(gòu)單元混用受力體系，優(yōu)先選用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，在多層砌體房屋中優(yōu)先采用橫墻承重的結(jié)構(gòu)體系，在底層框架抗震墻砌體房屋中，優(yōu)先采用混凝土抗震墻 、體型復(fù)雜的建筑，設(shè)置合理的抗震縫將上部結(jié)構(gòu)分割成相互獨(dú)立、 相對規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。
4、計算結(jié)果的校核
一般來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常采用計算軟件進(jìn)行抗震分析，這就要求設(shè)計人員對所用軟件的適用范圍、 技術(shù)條件 、計算模型等均有深刻的認(rèn)識和充分的掌握，對所有計算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)認(rèn)真分析校核，只有經(jīng)分析判斷結(jié)果合理 、有效后，方可用于工程實(shí)際。
5、抗震構(gòu)造措施
對結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用多道設(shè)防，嚴(yán)格按規(guī)范要求保證“ 強(qiáng)柱弱梁 ，強(qiáng)剪弱彎 ，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件” ，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接，加強(qiáng)梁、 柱端頭箍筋加密區(qū)的箍筋量。 所用材料等級不低于規(guī)范要求的最低等級，從而有效減小材料的脆性，計算中還應(yīng)嚴(yán)格控制梁的相對受壓區(qū)高度。 砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)置圈梁、 構(gòu)造柱等，有效約束砌體，提高砌體的延性和整體性。 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件比如框架填充墻兩端應(yīng)與柱有效拉結(jié)，附屬構(gòu)件女兒墻、 雨篷 、挑檐等。除保證自身整體性能外，還應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)有可靠連接和錨固。
二、 建筑抗震設(shè)計
1、 要根據(jù)設(shè)防依據(jù)合理確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)
工程項(xiàng)目的設(shè)防依據(jù)是建設(shè)場地所在地的地震基本烈度、設(shè)防烈度、工程結(jié)構(gòu)的重要性、已批準(zhǔn)的抗震設(shè)防區(qū)劃及有關(guān)的抗震設(shè)防方針�？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)通過抗震設(shè)防烈度和抗震設(shè)防類別體現(xiàn)。
工程設(shè)計前, 首先要確定設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù), 對一般的工業(yè)與民用建筑的設(shè)防烈度直接取《 中國地震烈度區(qū)劃圖( 1990)》 標(biāo)定的基本烈度值; 其次是根據(jù)工程的重要性,按強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《 建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》 確定抗震設(shè)防類別(甲、 乙、丙、 丁四類)�？拐鹪O(shè)防烈度和抗震設(shè)防類別直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)地震作用取值和抗震構(gòu)造措施的確定, 關(guān)系到能否安全、經(jīng)濟(jì)、合理的進(jìn)行抗震設(shè)防。因此, 筆者認(rèn)為在設(shè)計文件 (圖紙) 中必須明確表明工程的設(shè)防烈度和設(shè)防類別。
2、 規(guī)范地質(zhì)勘察報告
目前普遍存在工程地質(zhì)勘察報告不規(guī)范, 主要原因是對場地抗震性能評定的基本要求和它對抗震設(shè)計的重要性缺乏足夠的認(rèn)識。場地抗震性能評價和場地類別的劃分是抗震設(shè)計前期工作的重要組成部分, 直接關(guān)系到抗震計算、 基礎(chǔ)選型和構(gòu)造措施的合理性。
工程地質(zhì)勘察報告中, 應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件和設(shè)計要求, 提出建筑所在地段為有利、不利或危險的判別, 場地類別的劃分、巖土地震穩(wěn)定性評價、液化判別、軟弱粘性土場地地基震陷的評估、以及時程分析時所需的土動力參數(shù)等內(nèi)容。場地類別的劃分依據(jù)要充分, 采用波速測試鉆孔, 每個工程不宜少于3 個, 鉆孔的分布也要覆蓋整個場地, 使實(shí)測數(shù)據(jù)能代表整個場地性能, 對覆蓋層厚度也要正確估計。
3、建筑防震設(shè)計方法
建筑抗震的概念設(shè)計指在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時， 應(yīng)著眼于建筑物結(jié)構(gòu)的總體地震的震動反應(yīng)， 按照建筑結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和破壞過程， 靈活應(yīng)用建筑抗震的設(shè)計準(zhǔn)則， 全面而合理地解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的基本問題。
(1)建筑抗震設(shè)計要具備合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性。 結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須具備足夠大的承載能力和剛度， 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力和剛度是相關(guān)的， 一般來說， 建筑剛度越大， 其承載能力也越大。 增大建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力， 可以推遲地震時構(gòu)件的屈服能力，減輕地震對構(gòu)件的屈服程度， 降低對構(gòu)件延性的要求，但這提高了建筑工程造價。 要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理的建筑抗震結(jié)構(gòu)體系， 使建筑物在遭受大地震侵襲時， 仍具有很強(qiáng)的抗倒塌能力， 最理想的是建筑物部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞， 通過延性耗散地震能量， 避免建筑物的倒塌。
(2)建筑設(shè)計應(yīng)設(shè)置多道抗震設(shè)防體系。 由于地震的震動往往會持續(xù)一定時間， 而且震動是往復(fù)的 。根據(jù)對地震的大量研究可以看出， 建筑物的倒塌通常是由于地震的持續(xù)往復(fù)作用， 使建筑物的結(jié)構(gòu)造到破壞， 從而喪失了對建筑物重力荷載的承載能力。 所以， 建筑抗震規(guī)范提出“ 強(qiáng)柱弱梁、 強(qiáng)剪弱彎” 的抗震設(shè)計思想。
(3)鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多優(yōu)良的特性。 有很好的抗震、 抗風(fēng)性能。 鋼結(jié)構(gòu)整體剛性好、 強(qiáng)度高 、重量輕 、變形能力強(qiáng)， 建筑物自重僅為磚混結(jié)構(gòu)的 1 /5， 抗震性能卻是磚混結(jié)構(gòu)的2 倍以上， 并有很強(qiáng)的抗風(fēng)性能， 有效的保護(hù)人民生命和財產(chǎn)安全 建筑鋼結(jié)構(gòu)都是由多層水平的樓蓋和豎向的柱、 墻等組成。樓蓋主要承受豎向荷載，而建筑豎向的柱、 墻等構(gòu)件因?yàn)榻ㄖ叨鹊淖兓?其組成方式和受力變形. 特性結(jié)構(gòu)體系也有明顯的變化。 框架 、剪力墻及筒體是結(jié)構(gòu)中抵抗豎向及水平荷載的基本單元， 由它們及其變體組成了各種結(jié)構(gòu)體系， 如框架結(jié)構(gòu)體系、 框架一支撐結(jié)構(gòu)體系、 框架、 剪力墻體系、 框架、 簡體結(jié)構(gòu)體系 、交錯析架結(jié)構(gòu)體系等。
(4)建筑延性系數(shù)設(shè)計方法。 該方法的實(shí)質(zhì)是通過建立建筑構(gòu)件的位移延性系數(shù)或建筑截面曲率延性系數(shù)與塑性鉸區(qū)混凝土極限壓應(yīng)變的關(guān)系， 由結(jié)構(gòu)約束箍筋來保證核心混凝土能夠滿足所要求的極限壓應(yīng)變， 從而使建筑構(gòu)件具有所需要的延性系數(shù)。 建筑延性包括建
筑結(jié)構(gòu)延性、 構(gòu)件延性和截面延性三個方面 結(jié)構(gòu)延性可以用頂點(diǎn)位移延性和層間位移延性來表達(dá); 構(gòu)件位移延性與塑性鉸區(qū)長度和截面延性等有關(guān); 截面延性與建筑物的幾何形狀、 混性土強(qiáng)度 、軸壓比 、縱筋含鋼率 、含箍特征值等因素有關(guān)。
(5)采用能力譜方法進(jìn)行建筑抗震設(shè)計。 該方法是通過地震反應(yīng)譜曲線和建筑結(jié)構(gòu)能力譜曲線的疊加來評估建筑結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的反應(yīng)特性。 反應(yīng)譜是指單自由度體系在給定地震輸入下的加速度譜; 能力譜是指通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推的分析， 轉(zhuǎn)換得到等效單自由度體系的加速度和位移之間的關(guān)系曲線。 能力譜方法由Freeman 等提出， 經(jīng)過不斷的完善和革新 �！度毡窘ㄖ䴓�(biāo)準(zhǔn)法》 和美國 ATC - 40 都采用能力譜法作為基于性能，位移抗震設(shè)計方法。 Chopra 提出了將能力譜方法和結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)評定相結(jié)合的屈服位移能力譜的地震損傷分析方法， 增加并強(qiáng)化了能力譜法的實(shí)用性。
建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計, 是以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件為前提的。搞好目前的抗震設(shè)計有技術(shù)問題, 而目前地震及結(jié)構(gòu)所受的地震作用尚有許多規(guī)律未被認(rèn)識, 因此更重要的是認(rèn)識問題。我國是一個多地震國家, 時刻面臨著嚴(yán)峻的地震考驗(yàn)。我們應(yīng)該總結(jié)過去的經(jīng)驗(yàn), 吸取震害教訓(xùn), 從理論上、技術(shù)上尋找原因及解決辦法, 認(rèn)真做好抗震設(shè)計工作, 最大限度地減弱地震災(zāi)害, 造福人民。
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