建筑工程結構抗震設計淺析
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［摘要］地震在我國是一種常見的自然災害，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。本文從抗震工程設計視角說明了建筑工程中抗震工程設計的重要性以及抗震概念設計的基本內(nèi)涵，希望可以為建筑工程技術人員抗震工程設計提供參照。
一直以來，人們對在建筑中有關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)有關統(tǒng)計表明，我國95%以上的地震事故是由于建筑無抗震結構能力或抗震結構能力低下出現(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計工作，其抗震結構設備和技術手段也比較發(fā)達，日本建筑已普遍達到了抵御7~8級地震的能力。《中國防震減災技術法》第35條明文規(guī)定：“新增、擴大、改造施工，必須符合抗震結構建筑設防標準。”由此可見，對建筑實施合理的防震設計是降低抗震災情最可行、最基本的保護措施。
2“結構抗震概念設計”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上應當注意“結構抗震概念設計”，即基于抗震災情調(diào)查、科研和施工經(jīng)驗等場所形成的基本原則與建筑設計思想，進行建筑物構件的總體布局和確定細部結構。這些設計理念將有利于確定構造抗震思想，不僅可以改善建筑物構造的抗震特性，同時也為有關抗震計算提供了有利條件，從而使計算分析結論更能體現(xiàn)今后抗震時構造的實際抗震反應。
3抗震概念設計的基本原則
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)的次生災害
地震所引起的次生災難，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)更強烈的次生災害，是防震工作的一項非常重要方面。在震中區(qū)域的建設規(guī)模上應使住宅分散建立，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選擇合理的抗震結構方案
建筑的基本結構制度，必須根據(jù)建筑物抗震設防類型、抗震設防力度、建筑標高、施工條件、地基材料、結構構造建筑材料與施工條件等各種因素，經(jīng)科學技術、經(jīng)濟價值與實際使用條件的綜合評估對比后而制定。所選擇的結構構造系統(tǒng)，應該具備明確的計算簡圖和合理的地震作用傳導路徑，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構或構件損壞而造成整體構件缺乏抗震能力以及對重力荷載的承受能力。3.4非結構構件的處理非結構構件分為建筑物非結構構件和建筑物內(nèi)部附帶機械設施，包括與建筑物結構基礎之間的機械連接等。但是，由于在強烈抗震影響下，建筑物中的這部分構件會或多或少地參與其中，因此可以改善整個構件或部分結構的強度、承載力和傳力路徑，從而形成意想不到的耐震效應。所以，有必須參照以往每一次震害經(jīng)歷，妥善處理這種非結構構件，以降低震災，并增加建筑物的耐震可靠程度。
4設計多道抗震防線
4.1設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置，不能只局限于一道防線，只有在第一防線的基礎上設置好第二、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第一道防線的構件選型
建筑物的結構是不同的，無論是磚墻、構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構的受力能力不同，所在防震的效果則存在著具體的差異。一般來說，相關工作人員需要充分考慮建筑物結構所能承受的重力情況，例如軸壓比較小的防震墻體結構，在具體的施工過程中將防震墻體當作第一道抗震設防的抗側力構件。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防的抗側力構件。如果選擇軸壓較小的防震墻體作為第一道防線，即使結構被破壞，也不會危害到整體結構。選擇軸壓大的防震墻體作為第一道防線，一旦抗側力構件遭到破壞，就會造成整體構架柱的豎向承載力大幅度降低，從而對整體構件的結構安全造成威脅。所以在技術條件允許的情況下，并且構架是整體結構中獨立的抗側力體系時，工作人員就必須采取強柱弱梁的結構，這樣能夠更好地提高整體構架的延展性。
4.3抗側力體系多余桿件的利用
建筑物主體結構抗震設計的最主要目標是防倒塌，當建筑物主體結構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)。因此針對建筑物結構主體比較理想的應用方法就是能在主體構件內(nèi)部增加若干桿件，其中桿件和主體構件之間的強度差值應當在國家規(guī)定的標準范圍內(nèi)，并采用合適的配筋，保證主體構件及其桿件有較好的可伸縮性，當遇到地震時，這種桿件設備會在主體構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)對于結構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，通過結構系統(tǒng)將壓力逐漸轉移到內(nèi)部，從而形成更加穩(wěn)定的結構系統(tǒng)。具體可以從以下兩個方面進行：首先是關于新建樓宇的總體設計。隨著當前建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，以及建筑架構設計理念的不斷更新，人類對建筑內(nèi)部結構的減震、隔振設計也日益關注。因此在建筑設計的時候，除了對建筑的基礎部分采取特殊處理措施以外，還可以利用消能減震設備以及元件減小震害對結構的作用力，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計，采取各種積極措施結合實際情況進行適當?shù)恼{(diào)整。在具體的施工過程中，必須在建筑的關鍵地點設置特殊的隔震設備。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阻尼器的措施，在建筑的構造上進行添加減能設備。
4.4結構選型
4.4.1合適的結構類別工作人員在具體的施工過程中應該制定出相應的結構方案，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。通過對抗震的相關資料進行研究，從而得出鋼筋之中的直徑混凝土結構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構要比無筋砌塊理想。而針對配筋砌塊，工作人員需要配合結構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)的空間構架或者是排架更加穩(wěn)定，而整個空間構架的抗震性優(yōu)于平面的抗震性。4.4.2超靜定次數(shù)增多從平面構件上來說，各個構架的耐震性排名如下，構架的耐震特性高于排架構造，帶支承構架也高于簡單架構。靜定結構的桿件具體特點表現(xiàn)在搭設受力體系和傳力路徑獨立，當一根桿件搭設損壞之后，整體構造也不會因傳力路徑的斷裂而損壞。當超靜定構件在超載荷狀況下工作時，首先是剩余桿件的搭設上發(fā)生損壞，該桿件搭設在產(chǎn)生塑性鉸的工作過程中，會分解一部分地震的危害力量。其結果也只能是減少構件的超靜定次數(shù)，但整體構件結構仍然是一種穩(wěn)固體系，具備較好的防震能力構件的超靜定次數(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構屈服機制，主要特點是結構在其桿件出現(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。結構的塑性發(fā)展從次要構件開始，或從主要構件的次要桿件開始，最后才在主要構件上出現(xiàn)塑性銨，從而形成多道抗震防線。結構中所形成的塑性銨的數(shù)目多，塑性變形發(fā)展的過程長.構件中塑性較的塑性轉動量大，結構的塑性變形量大。
5建筑結構的主要隔震措施
中國的建筑的耐震設計中，一般都是采取對地面結構進行特殊處理、設置耐震裝置、對建筑物的上部構造進行抗震設計，以便于實現(xiàn)建筑抗震隔震的目的，相關措施一般也是混合應用的，不過人們根據(jù)震害構造特征和建筑自身構造特點，會有所側重的在重要部位設置隔震層，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構的破壞。傳統(tǒng)上是在建筑物的基本部分交替鋪設黏土和砂子，甚至直接設置黏土或沙子墊板，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置了墊板，以減輕震害對建筑物結構的破壞。近年來，國家有關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，這種方法設置的隔震層效果比較良好。
5.2在建筑基礎上設有隔振裝置減震
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有這種安裝會拉長建筑物構造本身的自震期，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，一般設定的裝備有橡膠墊、混凝土隔震設備等。
5.3建筑樓層間隔地震預防措施
建筑樓層間隔地震這種方式主要應用于舊房改造，在建筑施工中有著簡便、易于運行的優(yōu)點。與在建筑物結構基礎部分設置隔震設備的方法比較，層間隔震的效應并不是特別顯著，這些方法大多是通過設置在建筑物結構中各層間隔的減震設備吸引和減弱地面震害力量，從而降低地震對建筑結構的損害，所設置的裝置也基本與建筑基礎隔震的原理一致。
5.4對建筑構件懸掛隔震
所謂懸掛隔震，就是把建筑的部分甚至整體構件都懸掛起來，也就是人們平時所謂的懸空構件，這樣，在地震來臨時，地震的力量就不會傳導給懸空起來的建筑構件，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，因為特大型的鋼結構建筑都是通過鋼構件懸掛系統(tǒng)用以隔震。而大型鋼結構建筑一般劃分為副構架和子框架，在懸架系統(tǒng)中，子框架通過索鏈和吊桿掛在主構架上，在地震發(fā)生來臨之時，主構架就會因為地殼運動而產(chǎn)生搖晃，不過，由于子構架與主架構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，不至于傳導到次結構上產(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)構造學有著十分重要的聯(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)氐卣鸬恼鹣颍菇ㄖ牧系姆较蚺c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)是建筑結構減震系統(tǒng)中較為有效的一類，這個系統(tǒng)主要是經(jīng)過科學設計，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)同效應從而消耗抗震能力。不過，這樣設計的缺點是在結構設計和有關部件的計算方面規(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結語
綜上所述，地震是一個突然的自然災害現(xiàn)象，就目前世界各國為減少地震等突發(fā)災難所采用的對策來說，大致有以下三種：一是加強地震預報，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工作。總之，在各個環(huán)節(jié)上注意和嚴格把關，將大地震災難規(guī)模盡量減至最小、最輕微。
參考文獻
[1]胡愛珍.關于提升建筑工程結構抗震性能的思考[J].河南建材，2018（4）：55-56.
作者:金旭 汲鵬 張值源 劉子寒 單位:遼寧工程技術大學土木工程學院
