建筑抗震结构设计探究

来源:用户上传      作者: 王仕昱

　　摘 要 抗震，是当前建筑施工必须要关注的话题，建筑结构的抗震也就成了房屋设计必须要考量的核心环节。文章将就建筑抗震设计的要求、目标、原则，以及相关的内容进行探讨。
　　关键词 抗震；结构；设计方法
　　
　　如何能够让建筑在地震中保持安全，不受严重的损害，是当前建筑施工设计必须要考量的一个大问题，特别是近年来地震频繁，人们的生命财产受到严重威胁，建筑安全则成了社会安全的一个重要影响因素，为保证建筑的抗震能力，设计人员必须要根据相关标准，设计出具有相当抗震能力的房屋。
　　1.抗震设防的目标
　　我们所说的抗震设防，指的是对建筑物进行抗震设计，同时有针对性的采取一定的抗震构造的措施，最终实现结构抗震的效果和目的。一般来说，抗震设防主要依据的是抗震设防烈度。而抗震设防烈度的依据，是以国家规定权限审批或颁发的文件执行的，其是一个地区作为抗震设防标准。通常情况下，是采用国家地震局颁发的地震烈度区划图中规定的基本烈度的。从当前内外抗震设防目标的发展总趋势来看，其基本要求建筑物在使用期间，可以应对对不同频率和强度的地震，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。这是我国抗震设计规范所采用的抗震设防目标。
　　建筑工程在施工中的设防的目标如下：1）如果所遭受的是低于本地区设防烈度多遇的常规地震，建筑物不受损坏，不需修理仍可继续使用；2）如果遭受到本地区规定的设防烈度的地震，建筑物，包括结构和非结构部分，可能损坏，但不会对人民生命和生产设备的安全造成威胁，经修理仍可使用；3）如果遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震，尽量保证建筑物不倒塌。
　　也就是说，在建筑结构的防震设计上，设计方可以按照多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度这三个层次进行考虑。从概率上看，多遇地震烈度是发生机会较大的地震级别。按照现行规范设计的建筑，在设计上要达到这样的防震效果：当遭遇多遇烈度作用时，建筑物处于弹性阶段，通常不会损坏；当遭遇相应基本烈度的地震时，建筑物将进入弹塑性状态，但一般不会发生严重破坏；当遭遇罕遇烈度作用时，建筑物可能会有严重破坏，但不至于倒塌。
　　2.建筑结构抗震设计方法要点
　　我国所颁布的《抗震规范》提出了两阶段设计方法，以实现上述3个烈度水准的抗震设防要求。第一阶段的设计方案，必须要符合抗震设计原则，同时根据与基本烈度相对应的众值烈度（相当于小震）的地震动参数，通过采用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用标准值和相应的地震作用效应，接着与其他荷载效应按一定的组合系数进行组合，同时对结构构件截面，进行具有针对性的承载力验算，如果建筑物较高，还必须要进行变形验算，以保证其侧向变形不要过大。这样，一方面满足了第一水准下必要的承载力可靠度，同时也满足第二水准的设防要求（损坏可修）。当然，最后还必须通过概念设计和构造措施来满足第三水准的设防要求。
　　对于非地震高发区的大多数建筑结构而言，只进行第一阶段的设计已经足够了，但根据建筑的特点和地区的特征，少部分结构诸如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构，还必须要进行第二阶段的设计，也就是按与基本烈度相对应的罕遇烈度（相当于大震）验算结构的弹塑性层间变形是否满足规范要求（不发生倒塌）。如果发现有变形过大的薄弱层，那应该积极修改设计，或者可以采取相应的构造措施，以满足第三水准的设防要求，也就是大震不倒。
　　3.结构选型与结构布置
　　3.1 结构材料的选择
　　选择哪一种材料对建筑的结构抗震有着直接的影响，所以材料的选择应该与建筑的方案设计同步，在研究建筑形式的同时进着手进行研究。同时还应该要确定采用什么样的结构体系。这样做的目的，主要是为了能够根据工程的各方面条件，选择既符合抗震要求又经济实用的结构类型。结构选型是较为复杂的一项工作，在选择时必须要考虑建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，再加上经技术、经济条件比较后再确定。如果我们单从抗震角度考虑，好的结构型式，应具备以下特点：1）延性系数高；2）“强度／重力”比值大；3）匀质性好；4）正交各向同性；5）构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。如果只从数据上看，按照上述标准来衡量，常见建筑结构类型，理论上的抗震性能优劣顺序是：1）钢结构；2）型钢混凝土结构；3）混凝土一钢混合结构；4）现浇钢筋混凝土结构；5）预应力混凝土结构等。当然，在这里必须要强调的是，我们说的抗震最好的钢结构，其优越性是相对性的，从优点看，其延性，连接较好，具有可靠的节点，同时拥有在低周往复荷载下有饱满稳定的滞回曲线，从实际的经验看，钢结构建筑的表现都不错。但是，我们说的相对性，是只设计理念即施工方法的到位如果不到位这些建筑同样会在地震中受损。
　　3.2 抗震结构体系的确定
　　不同的结构体系，在抗震性能、使用效果和经济指标等方面的效果是不同的。因此，确定适合的抗震结构体系至关重要。《抗震规范》的基本要求：1）必须具备明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；2）形成多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力；3）必须具备必要的强度以及良好的变形能力和耗能能力；4）应该具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
　　总之，在选择确定建筑的结构体系时，建筑物刚度与场地条件的关系是必须要考虑的。如果建筑物自振周期与地基土的卓越周期接近一致，那就说明建筑可能会产生共振，进而加重建筑物损害。一般来说，建筑物的自振周期与结构本身刚度有关，所以在设计房屋之前，设计单位必须要掌握场地和地基土及其卓越周期，以便在建筑结构的设计中调整结构刚度，最终避开共振周期。
　　当然，在选择结构体系时，还应该要注意选择合理的基础形式。基础应该有足够的埋深，如果是多层房屋，就应该设置地下室。根据实践调查，设置地下室的房屋，可以减轻整个结构的震害。至于那些地基软弱的，就应该考虑选用桩基、筏板基础或箱形基础。而针对岩层高低起伏不均匀的情况，则可以考虑选择桩基，桩基可以穿入非液化土层，使建筑结构更加稳固。如果建筑物层数不多、地基条件又较好时，也可以采用单独基础或十字交叉带形基础等。
　　3.3 结构布置的一般原则
　　3.3.1 平面布置力求对称 通常情况下，对称结构在地面平动作用下只会发生平移振动，各构件的侧移量相等，这样就使得水平地震作用按构件刚度分配，所以各构件受力比较均匀，不会导致力的分布失衡。如果是非对称结构，刚心会偏在一边，质心与刚心不重合，即便只是发生地面平动也可能出现扭转振动。最终会导致远离刚心的构件，侧移量大，承担过度的水平地震剪力。这就很容易发生严重破坏，甚至可能会导致整个结构因一侧构件失效而倒塌。
　　3.3.2 竖向布置力求均匀 结构竖向布置均匀，可以最大限度的使其竖向刚度、强度变化均匀，这样可以有效的避免出现薄弱层。从建筑结构的特点看，临街的建筑物，往往会因为商业的需要，底部几层有大空间的设置。非临街的建筑物，底部也可能门厅、餐厅或停车场，而出现大空间。在这种结构中，上部的钢筋混凝土抗震墙或竖向支撑或砌体墙体到此被中止，而下部须采取框架体系。也就是说，上部各层为全墙体系或框架一抗震墙体系，而底层或底部两三层则为框架体系，整个结构属“框托墙”体系。地震经验指出，这种体系很不利于抗震。因此，在实际的抗震结构设计中，应该要保持结构竖向布置的均匀。
　　也就是说，同一楼层的框架柱，必须要具有大致相同的刚度、强度和延性，以此避免地震时，因受力大小悬殊而被各个击破的危险。此外，还必须注意的是，在采用纯框架结构的高层建筑中，楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连时，应该避免该柱变成短柱的情况，这样才能有效的避免地震时发生剪切破坏。
　　4.结语
　　总之，在建筑结构的防震设计中，设计人员必须根据建筑的实际情况，结合地质环境，在经济与安全的综合考量下，设计出科学合理的防震方案，保证建筑物在相应的防震标准下进行施工，保证建筑的安全。
　　参考文献：
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　　[2] 李智建，石延明. 浅谈建筑结构设计中的抗震设计[J]. 科技资讯，2009（12）.
　　[3] 王翠坤，杨沈. 汶川地震对建筑结构设计的启示[J]. 震灾防御技术，2008（03）.

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