建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計淺析
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［摘要］地震在我國是一種常見的自然災(zāi)害，主要是由于地殼運動而引起的自然現(xiàn)象。由于部分突發(fā)性地震災(zāi)難所帶來的社會損害很大，所以加強建筑抗震顯得尤為重要。本文從抗震工程設(shè)計視角說明了建筑工程中抗震工程設(shè)計的重要性以及抗震概念設(shè)計的基本內(nèi)涵，希望可以為建筑工程技術(shù)人員抗震工程設(shè)計提供參照。
［關(guān)鍵詞］建筑工程結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；探討
一直以來，人們對在建筑中有關(guān)的耐震措施都是秉承著“小震不塌、大震能修”的準則，盡管建筑設(shè)計在耐震方面也采用了不少的措施，受諸多因素的影響仍然不可避免地出現(xiàn)了質(zhì)量問題，與此同時也給社會造成了巨大的經(jīng)濟損失。影響建筑物質(zhì)量的因素有很多，其中最主要的還是施工工人的安全意識不夠，在施工過程中產(chǎn)生了僥幸心理，偷工減料，甚至私自更改了總體設(shè)計方案，從而未能切實地把建筑防震的安全措施落到實處。
1建筑抗震設(shè)計的必要性
據(jù)統(tǒng)計，全球一年出現(xiàn)的地震約達五百萬次，其中大部分地震都產(chǎn)生于地球內(nèi)部，而人類感受到的最大抗震，亦為有感抗震，僅占總量的百分之一以下，能引起災(zāi)害的強地震則為數(shù)更少，一般每年十幾起[1]。不過，即使是這種每年為數(shù)不多的大地震，也給人類造成了無可挽回的巨額經(jīng)濟損失和觸目驚心的人身傷亡事故。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計表明，我國95%以上的地震事故是由于建筑無抗震結(jié)構(gòu)能力或抗震結(jié)構(gòu)能力低下出現(xiàn)倒塌。而作為一個地震頻發(fā)國，日本一直很注重建筑材料的抗震設(shè)計工作，其抗震結(jié)構(gòu)設(shè)備和技術(shù)手段也比較發(fā)達，日本建筑已普遍達到了抵御7~8級地震的能力?！吨袊勒饻p災(zāi)技術(shù)法》第35條明文規(guī)定：“新增、擴大、改造施工，必須符合抗震結(jié)構(gòu)建筑設(shè)防標準。”由此可見，對建筑實施合理的防震設(shè)計是降低抗震災(zāi)情最可行、最基本的保護措施。
2“結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計”的含義
從20世紀70年代開始，世界各國標準都明確了在建筑工程技術(shù)上應(yīng)當注意“結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計”，即基于抗震災(zāi)情調(diào)查、科研和施工經(jīng)驗等場所形成的基本原則與建筑設(shè)計思想，進行建筑物構(gòu)件的總體布局和確定細部結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計理念將有利于確定構(gòu)造抗震思想，不僅可以改善建筑物構(gòu)造的抗震特性，同時也為有關(guān)抗震計算提供了有利條件，從而使計算分析結(jié)論更能體現(xiàn)今后抗震時構(gòu)造的實際抗震反應(yīng)。
3抗震概念設(shè)計的基本原則
3.1選擇對抗震有利的場地和地基
建筑的抗震能力和現(xiàn)場要求有密切聯(lián)系。對多次地震的研究已經(jīng)證實，對于同類別的建筑，因為施工地點不同，損壞程度也會存在較大差異。因此建筑物的選址應(yīng)該盡量避免在地貌上有活動斷層通過或斷裂交叉的地區(qū)，尤其是在有活動斷層的區(qū)域進行施工。
3.2通過合理規(guī)劃，防止地震時出現(xiàn)的次生災(zāi)害
地震所引起的次生災(zāi)難，有時也會造成大于地震直接帶來的社會經(jīng)濟損失，防止地震時出現(xiàn)更強烈的次生災(zāi)害，是防震工作的一項非常重要方面。在震中區(qū)域的建設(shè)規(guī)模上應(yīng)使住宅分散建立，而住宅的高度間距以不低于1~1.5倍的房屋標高為宜，以便為在抗震時人員撤離和救援以及為抗震修筑臨時性工程留出余地。要盡量避免房高巷小，防止抗震時因為樓房坍塌將道路阻斷，公共建筑更應(yīng)充分考慮抗震避難問題，通?？珊拖辣茈y一起考慮。
3.3選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)方案
建筑的基本結(jié)構(gòu)制度，必須根據(jù)建筑物抗震設(shè)防類型、抗震設(shè)防力度、建筑標高、施工條件、地基材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造建筑材料與施工條件等各種因素，經(jīng)科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟價值與實際使用條件的綜合評估對比后而制定。所選擇的結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)，應(yīng)該具備明確的計算簡圖和合理的地震作用傳導(dǎo)路徑，并具有必要的抗震強度、正常的變化力量以及消耗抗震能量的能力，可以防止由于部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損壞而造成整體構(gòu)件缺乏抗震能力以及對重力荷載的承受能力。3.4非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理非結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為建筑物非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物內(nèi)部附帶機械設(shè)施，包括與建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間的機械連接等。但是，由于在強烈抗震影響下，建筑物中的這部分構(gòu)件會或多或少地參與其中，因此可以改善整個構(gòu)件或部分結(jié)構(gòu)的強度、承載力和傳力路徑，從而形成意想不到的耐震效應(yīng)。所以，有必須參照以往每一次震害經(jīng)歷，妥善處理這種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以降低震災(zāi)，并增加建筑物的耐震可靠程度。
4設(shè)計多道抗震防線
4.1設(shè)計多道防線的必要性
眾所周知，地震的震動不只是一次，一般是在一段時間內(nèi)持續(xù)震動，并且大型地震之后還會伴有余震。所以建筑物在地震多次震動的影響之下會形成累積型的損傷。因此，對于建筑物的抗震防線的設(shè)置，不能只局限于一道防線，只有在第一防線的基礎(chǔ)上設(shè)置好第二、第三道耐震防線，才能夠提高建筑物的抗震能力，從而提高建筑物的安全性。
4.2第一道防線的構(gòu)件選型
建筑物的結(jié)構(gòu)是不同的，無論是磚墻、構(gòu)架還是墻體都必須具有一定的抗震能力。但是不同的建筑物的結(jié)構(gòu)的受力能力不同，所在防震的效果則存在著具體的差異。一般來說，相關(guān)工作人員需要充分考慮建筑物結(jié)構(gòu)所能承受的重力情況，例如軸壓比較小的防震墻體結(jié)構(gòu)，在具體的施工過程中將防震墻體當作第一道抗震設(shè)防的抗側(cè)力構(gòu)件。工作人員通常不考慮將軸壓特別大的框架墻作為第一道設(shè)防的抗側(cè)力構(gòu)件。如果選擇軸壓較小的防震墻體作為第一道防線，即使結(jié)構(gòu)被破壞，也不會危害到整體結(jié)構(gòu)。選擇軸壓大的防震墻體作為第一道防線，一旦抗側(cè)力構(gòu)件遭到破壞，就會造成整體構(gòu)架柱的豎向承載力大幅度降低，從而對整體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。所以在技術(shù)條件允許的情況下，并且構(gòu)架是整體結(jié)構(gòu)中獨立的抗側(cè)力體系時，工作人員就必須采取強柱弱梁的結(jié)構(gòu)，這樣能夠更好地提高整體構(gòu)架的延展性。
4.3抗側(cè)力體系多余桿件的利用
建筑物主體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的最主要目標是防倒塌，當建筑物主體結(jié)構(gòu)受到較重外力造成損傷的情形下，也能夠保持一種比較穩(wěn)固的狀態(tài)。因此針對建筑物結(jié)構(gòu)主體比較理想的應(yīng)用方法就是能在主體構(gòu)件內(nèi)部增加若干桿件，其中桿件和主體構(gòu)件之間的強度差值應(yīng)當在國家規(guī)定的標準范圍內(nèi)，并采用合適的配筋，保證主體構(gòu)件及其桿件有較好的可伸縮性，當遇到地震時，這種桿件設(shè)備會在主體構(gòu)件之前進行有效的抗壓，利用它所具備的塑性程度，把地震過程中產(chǎn)生的破壞力進行分散[3]。例如：針對兩片或者是多片的單肢抗震墻，利用水平抗彎梁共同連接成為多肢的抗震墻，并且使抗震墻能夠和同一個平面之中的框架形成并聯(lián)，從而加強其抗震方面的能力。這種方式可以實現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)動力整體的特性的控制，并且在多余桿件之間的耗能和內(nèi)部力量在雙重分布之下，通過結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將壓力逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，從而形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。具體可以從以下兩個方面進行：首先是關(guān)于新建樓宇的總體設(shè)計。隨著當前建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，以及建筑架構(gòu)設(shè)計理念的不斷更新，人類對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的減震、隔振設(shè)計也日益關(guān)注。因此在建筑設(shè)計的時候，除了對建筑的基礎(chǔ)部分采取特殊處理措施以外，還可以利用消能減震設(shè)備以及元件減小震害對結(jié)構(gòu)的作用力，進一步保障人們的生命財產(chǎn)安全性。其次是加強新建成建筑物的防震加固措施。針對新建筑的地面或基座實施隔震設(shè)計，工作人員需要在建筑還沒有施工之前進行建筑物的隔震設(shè)計，采取各種積極措施結(jié)合實際情況進行適當?shù)恼{(diào)整。在具體的施工過程中，必須在建筑的關(guān)鍵地點設(shè)置特殊的隔震設(shè)備。在建筑完成之后，如果要增強建筑物的耐震性，工作人員可以采取增設(shè)阻尼器的措施，在建筑的構(gòu)造上進行添加減能設(shè)備。
4.4結(jié)構(gòu)選型
4.4.1合適的結(jié)構(gòu)類別工作人員在具體的施工過程中應(yīng)該制定出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案，這種方案既能滿足經(jīng)濟效益的提升，也能夠保證建筑物的實用性，工作人員在設(shè)計方案時需要充分考慮建筑物的抗震性能。通過對抗震的相關(guān)資料進行研究，從而得出鋼筋之中的直徑混凝土結(jié)構(gòu)整體的抗震特性需要優(yōu)于砌塊，在具體的施工過程中砌塊結(jié)構(gòu)要比無筋砌塊理想。而針對配筋砌塊，工作人員需要配合結(jié)構(gòu)方面的具體模式進行施工。從整個桿件的類型上而言，墻體在抗震性比起材質(zhì)的空間構(gòu)架或者是排架更加穩(wěn)定，而整個空間構(gòu)架的抗震性優(yōu)于平面的抗震性。4.4.2超靜定次數(shù)增多從平面構(gòu)件上來說，各個構(gòu)架的耐震性排名如下，構(gòu)架的耐震特性高于排架構(gòu)造，帶支承構(gòu)架也高于簡單架構(gòu)。靜定結(jié)構(gòu)的桿件具體特點表現(xiàn)在搭設(shè)受力體系和傳力路徑獨立，當一根桿件搭設(shè)損壞之后，整體構(gòu)造也不會因傳力路徑的斷裂而損壞。當超靜定構(gòu)件在超載荷狀況下工作時，首先是剩余桿件的搭設(shè)上發(fā)生損壞，該桿件搭設(shè)在產(chǎn)生塑性鉸的工作過程中，會分解一部分地震的危害力量。其結(jié)果也只能是減少構(gòu)件的超靜定次數(shù)，但整體構(gòu)件結(jié)構(gòu)仍然是一種穩(wěn)固體系，具備較好的防震能力構(gòu)件的超靜定次數(shù)越多，所消耗的震害能力也就越多，抗震安全程度也就越高。4.4.3耐震的屈服機制一個良好的結(jié)構(gòu)屈服機制，主要特點是結(jié)構(gòu)在其桿件出現(xiàn)塑性較之后，在承載能力基本保持穩(wěn)定的條件下，可以持續(xù)地變形而不倒塌，最大限度地吸收和耗散地震能量。結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展從次要構(gòu)件開始，或從主要構(gòu)件的次要桿件開始，最后才在主要構(gòu)件上出現(xiàn)塑性銨，從而形成多道抗震防線。結(jié)構(gòu)中所形成的塑性銨的數(shù)目多，塑性變形發(fā)展的過程長.構(gòu)件中塑性較的塑性轉(zhuǎn)動量大，結(jié)構(gòu)的塑性變形量大。
5建筑結(jié)構(gòu)的主要隔震措施
中國的建筑的耐震設(shè)計中，一般都是采取對地面結(jié)構(gòu)進行特殊處理、設(shè)置耐震裝置、對建筑物的上部構(gòu)造進行抗震設(shè)計，以便于實現(xiàn)建筑抗震隔震的目的，相關(guān)措施一般也是混合應(yīng)用的，不過人們根據(jù)震害構(gòu)造特征和建筑自身構(gòu)造特點，會有所側(cè)重的在重要部位設(shè)置隔震層，而根據(jù)隔震層的情況不同我們可以將建筑的隔震設(shè)計分成如下幾類。
5.1對建筑物地面使用的特殊建筑材料隔展
建筑物基本隔震，主要是對建筑物的基底部分加以特別處理，減少地震時的地震波，進而降低震害對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。傳統(tǒng)上是在建筑物的基本部分交替鋪設(shè)黏土和砂子，甚至直接設(shè)置黏土或沙子墊板，在我國建筑史上，就已經(jīng)有人以糯米為主要原料，在建筑物的基本部分設(shè)置了墊板，以減輕震害對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。近年來，國家有關(guān)部門在這方面的研究上已經(jīng)獲得了突破性發(fā)展，以瀝青為主要原材料研發(fā)出了特殊建筑材料，這種方法設(shè)置的隔震層效果比較良好。
5.2在建筑基礎(chǔ)上設(shè)有隔振裝置減震
這一類隔震措施，主要是在建筑的基座和上層建筑物中間設(shè)有特殊安裝，從而減少震害的方向傳播，不過，這些措施的主要缺點是不宜使用于大型高層建筑，由于在大型高層建筑設(shè)有這種安裝會拉長建筑物構(gòu)造本身的自震期，起不到減少震害對建筑破壞的目的。一般使用的措施有：摩擦滑動隔震、粘彈性隔震等多種，一般設(shè)定的裝備有橡膠墊、混凝土隔震設(shè)備等。
5.3建筑樓層間隔地震預(yù)防措施
建筑樓層間隔地震這種方式主要應(yīng)用于舊房改造，在建筑施工中有著簡便、易于運行的優(yōu)點。與在建筑物結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部分設(shè)置隔震設(shè)備的方法比較，層間隔震的效應(yīng)并不是特別顯著，這些方法大多是通過設(shè)置在建筑物結(jié)構(gòu)中各層間隔的減震設(shè)備吸引和減弱地面震害力量，從而降低地震對建筑結(jié)構(gòu)的損害，所設(shè)置的裝置也基本與建筑基礎(chǔ)隔震的原理一致。
5.4對建筑構(gòu)件懸掛隔震
所謂懸掛隔震，就是把建筑的部分甚至整體構(gòu)件都懸掛起來，也就是人們平時所謂的懸空構(gòu)件，這樣，在地震來臨時，地震的力量就不會傳導(dǎo)給懸空起來的建筑構(gòu)件，從而起到了減輕地震帶來的危害的目的。這個隔震方法最常用于特大型鋼構(gòu)，因為特大型的鋼結(jié)構(gòu)建筑都是通過鋼構(gòu)件懸掛系統(tǒng)用以隔震。而大型鋼結(jié)構(gòu)建筑一般劃分為副構(gòu)架和子框架，在懸架系統(tǒng)中，子框架通過索鏈和吊桿掛在主構(gòu)架上，在地震發(fā)生來臨之時，主構(gòu)架就會因為地殼運動而產(chǎn)生搖晃，不過，由于子構(gòu)架與主架構(gòu)之間是可以活動的索鏈和吊桿，當震害的力量在達到這個部位的時候就會減弱，不至于傳導(dǎo)到次結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生慣性力。
5.5其他減震措施
（1）根據(jù)建筑的方向設(shè)置防震問題。眾所周知，建筑防震問題主要受到地殼的移動影響，和地質(zhì)構(gòu)造學(xué)有著十分重要的聯(lián)系。人們在建筑材料選擇的時候，必須充分考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件，并分析當?shù)氐卣鸬恼鹣?，使建筑材料的方向與地震震向垂直，而盡量避免二者方向相互平行。從剛剛發(fā)生的四川汶川地震和玉樹地震的實際狀況分析，與地震震向水平的建筑的坍塌概率更高，而與此相反，與地震震向垂直的建筑不太易坍塌。而科學(xué)研究也表明，與地震震向水平的建筑，當震中產(chǎn)生時，隨地震波運動的振幅更大，所以更易于坍塌。（2）無粘接支持系統(tǒng)的減震問題。無粘接支持系統(tǒng)是建筑結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)中較為有效的一類，這個系統(tǒng)主要是經(jīng)過科學(xué)設(shè)計，使建筑內(nèi)部鋼板與外部的包鋼間無粘接并可形成能隨意滑動的一個層面，當抗震問題產(chǎn)生時，可以利用內(nèi)部鋼板間的協(xié)同效應(yīng)從而消耗抗震能力。不過，這樣設(shè)計的缺點是在結(jié)構(gòu)設(shè)計和有關(guān)部件的計算方面規(guī)定得特別嚴格。主要是因為這種系統(tǒng)中建筑物的重量大部分由內(nèi)鋼來承受，外鋼則主要起配合和輔助的功能，還能夠避免內(nèi)鋼彎曲變形。
6結(jié)語
綜上所述，地震是一個突然的自然災(zāi)害現(xiàn)象，就目前世界各國為減少地震等突發(fā)災(zāi)難所采用的對策來說，大致有以下三種：一是加強地震預(yù)報，并在震害出現(xiàn)之前采取適當措施以降低經(jīng)濟損失；二是在建筑設(shè)計與施工等方面，增強各種建筑對震害的抵抗能力，以及對已建建筑進行耐震能力評估與加固；三是做好大地震時的緊急指揮和救災(zāi)工作?？傊?，在各個環(huán)節(jié)上注意和嚴格把關(guān)，將大地震災(zāi)難規(guī)模盡量減至最小、最輕微。
參考文獻
[1]胡愛珍.關(guān)于提升建筑工程結(jié)構(gòu)抗震性能的思考[J].河南建材，2018（4）：55-56.
作者:金旭 汲鵬 張值源 劉子寒 單位:遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院
