論結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、論結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要：地震在破壞建筑物的同時(shí)，也將直接危害到人的生命財(cái)產(chǎn)安全，伴隨的更有對(duì)環(huán)境的破壞,所以,要抗御和減輕地震災(zāi)害，必須對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗震分析與設(shè)計(jì)。文章從概念設(shè)計(jì)入手,提出建筑結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計(jì)一些要點(diǎn):一、應(yīng)選擇有利的抗震建筑場(chǎng)地；二、要加強(qiáng)地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；三、重視建筑設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性；四、減輕建筑物自重。筆者同時(shí)給出幾點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利的建議,以供參考。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)抗震；概念設(shè)計(jì)；要點(diǎn)；場(chǎng)地；基礎(chǔ)；規(guī)則性；自重 1概念設(shè)計(jì)要點(diǎn) 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本要求主要包括概念設(shè)計(jì)、計(jì)算設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)三個(gè)方面。 在土木建筑工程中，概念設(shè)計(jì)主要考慮以下要點(diǎn):場(chǎng)地條件和場(chǎng)

2、地土的穩(wěn)定性；建筑平、立面布置及外形尺寸；抗震結(jié)構(gòu)體系的選取，抗側(cè)力構(gòu)件布置及結(jié)構(gòu)質(zhì)量的分布；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系及二者之間的錨拉、材料與施工等?，F(xiàn)筆者從概念設(shè)計(jì)入手,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析探討,意在拋磚引玉。 2選擇有利的抗震建筑場(chǎng)地 地震造成建筑物的破壞，除地震動(dòng)直接引起的結(jié)構(gòu)破壞外，場(chǎng)地條件也是一個(gè)重要的原因，“重災(zāi)區(qū)中有輕災(zāi)，輕災(zāi)區(qū)中有重災(zāi)”。地震引起的地表錯(cuò)動(dòng)與地裂，地基土的小均勻沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。因此抗震設(shè)防區(qū)的建筑工程場(chǎng)地的選擇應(yīng)做到: (1)應(yīng)選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，如開闊平坦的堅(jiān)硬場(chǎng)地土或密實(shí)均勻的中硬場(chǎng)地土等地段。 (2)應(yīng)避開對(duì)建筑抗震不利的地

3、段，如軟弱場(chǎng)地土，易液化土，條件突出的山嘴，高聳孤立的山丘，非巖質(zhì)陡坡、采空區(qū)、河岸和邊坡邊緣，場(chǎng)地土在平面分布上的成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻（如故河道、斷層破碎帶、暗埋的塘濱溝谷及半填半挖地基）等地段。當(dāng)無法避開時(shí)，應(yīng)采取有效的工程場(chǎng)地抗震措施進(jìn)行排險(xiǎn)。 (3)不應(yīng)在危險(xiǎn)地段造建甲、乙、丙類建筑，建筑抗震危險(xiǎn)地段，一般是指地震的可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地段，發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯(cuò)位地段。汶川地震中，由于西部地區(qū)建設(shè)選址主要位于山區(qū)，而由山體滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害造成的損失尤勝于地震本身的慘痛教訓(xùn)已經(jīng)給了我們很大警示，加強(qiáng)建筑工程場(chǎng)地的選址工作，選擇有利地段，避開危險(xiǎn)地

4、段是十分必要的。 根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度劃分的場(chǎng)地類別見表1所示。 表1注:Vse土層等效剪切波速(m/s) Vse=d0/t， 式中：d0計(jì)算深度（m）取覆蓋層厚度和20m二者的較小值； t剪切波在地面至計(jì)算深度之間的傳播時(shí)間； di計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的厚度（m）； Vsi計(jì)算深度范圍內(nèi)第i土層的剪切波速（m/s）； n計(jì)算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)。 建筑場(chǎng)地為I類時(shí)，甲、乙類建筑可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施；丙類建筑允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震構(gòu)造措施，但抗震設(shè)防烈度為VI度時(shí)，可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。另外，場(chǎng)地土的剛

5、度大小和場(chǎng)地土覆蓋層厚度是影響建筑物震害的主要因素。震害調(diào)查表明，土質(zhì)越軟，覆蓋層越厚，建筑物震害越嚴(yán)重反之越輕。 3加強(qiáng)地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 在實(shí)際工程中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的抗震概念可以重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面： (1)注意基礎(chǔ)的選型，加強(qiáng)其整體性的剛性，同一建筑單元不宜設(shè)置在性質(zhì)不同的地基上，也不宜部分采用天然地基，部分采用樁基。高層建筑在同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，不宜采用局部箱形基礎(chǔ)。同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，避免出現(xiàn)部分有地下室，部分無地下室的情況。 (2)建筑物基礎(chǔ)的埋深不宜淺，建筑物基礎(chǔ)埋置深度增加，可以增強(qiáng)地基土對(duì)建筑物的嵌固作用，從而減小建筑物的振幅，減輕震害，所以，在條件允許時(shí)，建筑物的基礎(chǔ)應(yīng)盡可能埋得深一些，并

6、切實(shí)做好基槽回填和夯實(shí)，使其與基礎(chǔ)側(cè)面緊密接觸。一般來說，采用天然地基時(shí)基礎(chǔ)埋置深度不應(yīng)小于建筑高度的1/12，采用樁基時(shí)可不小于建筑高度的1/15，樁的長(zhǎng)度不計(jì)在埋置深度內(nèi)。同時(shí)基礎(chǔ)的埋置深度還必須滿足地基變形和穩(wěn)定的要求 (3)加強(qiáng)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的整體性，為了加強(qiáng)基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的整體作用，基礎(chǔ)在室內(nèi)地坪下宜作內(nèi)外交圈的基礎(chǔ)圈梁，上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱鋼筋插入圈梁使構(gòu)造柱與地面下圈梁連接牢固，當(dāng)?shù)鼗临|(zhì)較差時(shí)，還宜在基底布置圈梁，基礎(chǔ)應(yīng)盡可能取直和拉通，避免切斷。 (4)軟土地基的基礎(chǔ)應(yīng)有較多的安全儲(chǔ)備，宜加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛性。 4重視建筑設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性 建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求

7、，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。 房屋的動(dòng)力性能基本上取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。實(shí)際工程中，我們應(yīng)盡量做到：建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱、整體性較好，特別注意抗側(cè)剛度很大的鋼筋混凝土墻體和芯筒的平面位置應(yīng)居中和對(duì)稱、抗震墻宜沿房屋周邊布置，以使結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗扭剛度和抗傾覆能力；建筑的立面和豎向抗拉力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐步減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。對(duì)平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則類型的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按抗震規(guī)范要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并對(duì)薄弱部位采取有效的抗震措施。 對(duì)體型復(fù)雜，平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，要在適當(dāng)位置設(shè)置防震縫，形成多個(gè)較規(guī)則的

8、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元，防震縫要留有足夠的寬度，保證兩側(cè)上部結(jié)構(gòu)完全分開。理論上，防震縫的寬度不宜小于兩側(cè)建筑物在較低建筑物屋頂高度處的垂直防震縫方向的側(cè)移之和。防震縫的寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度和房屋高度確定，對(duì)多層砌體房屋可采用50100mm，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)房屋可采用100150mm。鋼結(jié)構(gòu)房屋防震縫的寬度不應(yīng)小于相應(yīng)混凝土房屋縫寬的1.5倍。當(dāng)結(jié)構(gòu)需要設(shè)置伸縮縫和沉降縫時(shí)，其寬度應(yīng)符合防震縫的要求。在高層建筑中，新高層規(guī)程規(guī)定了防震縫的最小寬度，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中當(dāng)三縫合一設(shè)置時(shí)，三縫寬度均宜加大。汶川地震中相鄰建筑碰撞破壞現(xiàn)象隨處可見，震害證明三縫合一時(shí)寬度值取值嚴(yán)重偏小，故筆者建議此種縫寬宜加大最小為1

9、20mm。 5減輕建筑物自重 地震時(shí)建筑物重量越大，地震力越大，結(jié)構(gòu)越易破壞，屋蓋越重晃動(dòng)越強(qiáng)烈，因此震區(qū)房屋在保證正常的使用條件下，結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)做的輕一些。 (1)減輕樓蓋和屋蓋自重，盡可能采用輕質(zhì)材料。震害表明，樓蓋和屋蓋越重震害越重，但樓蓋和屋蓋本身破壞的并不多見。 (2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)要輕，承重墻體更要輕。當(dāng)墻體自重大時(shí)，抗剪程度和抗拉程度都很低，如果沒有合理的抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的抗震性能很差，特別是在強(qiáng)地震力的作用下更容易產(chǎn)生破壞，故應(yīng)注意墻體自重和材料特性。在我國遭遇多發(fā)地震的情況下，推廣采用加氣混凝土砌塊等各種輕質(zhì)墻體砌筑材料，推行墻體材料改革，減輕墻體自重和改善墻體材料特性是一項(xiàng)非常重要

10、的工作。 (3)屋頂不要做笨重附屬物，“鞭梢效應(yīng)”明顯的建筑物易破壞，在工程中盡量不做或少做，如果必須建造，也要做得矮些牢固些，建議用輕質(zhì)材料組合成凸出物，或用鋼材做成鋼結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。 (4)周期計(jì)算是抗震計(jì)算的要點(diǎn)。自由體系自震周期的計(jì)算公式為: T= 式中：T結(jié)構(gòu)體系的自振周期； 常數(shù)，取3.14； m結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量； k結(jié)構(gòu)體系的剛度，與其自身柔度成反比。 可見，當(dāng)周期一定時(shí)，質(zhì)量越大，周期越長(zhǎng)，自振周期是結(jié)構(gòu)的一種固有屬性，它是結(jié)構(gòu)本身的一個(gè)很重要的動(dòng)力特性。在建筑的設(shè)計(jì)中，盡可能使組成結(jié)構(gòu)的各部分質(zhì)量要輕，剛度宜大，才能有效地減輕震害。 6幾點(diǎn)建議 (1)處理好非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

11、與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，可以防止附加震害，減少損失。在人流出入口、通道及重要設(shè)備附近要加強(qiáng)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接或錨固，避免倒塌傷人或砸壞重要設(shè)備；在砌體填充墻與框架或單層廠房柱之間采用柔性連接或彼此脫開，且避免不合理的設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。 (2)抗震結(jié)構(gòu)在材料選用、施工質(zhì)量，特別是材料的代用上有特殊的要求，因此材料的性能指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)范的要求。在混凝土結(jié)構(gòu)施工中，當(dāng)缺乏設(shè)計(jì)規(guī)定的鋼筋規(guī)格型號(hào)而需用另外規(guī)格型號(hào)代替時(shí)，應(yīng)注意不宜以屈服強(qiáng)度高的鋼筋代替原設(shè)計(jì)中的主要鋼筋。按承載力相等原則換算時(shí)，還應(yīng)注意由于鋼筋的強(qiáng)度與直徑改變影響正常使用階段的撓度和裂縫寬度，以及最小配筋率和鋼筋間距等構(gòu)造

12、要求。 (3)重視砌體結(jié)構(gòu)圈梁和構(gòu)造柱的布置。多次震害表明圈梁能極大地減輕震害，圈梁的作用體現(xiàn)在：加強(qiáng)縱橫墻體的連接以增強(qiáng)墻體的穩(wěn)定性和房屋的整體性，限制墻體斜裂縫的開展和延伸；作為樓屋蓋的邊緣構(gòu)件，增強(qiáng)樓蓋的水平剛度；抵抗由于地震或其它原因引起的地基不均勻沉降而對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞。構(gòu)造柱對(duì)結(jié)構(gòu)抗震也有著極為重要的作用:雖然對(duì)提高墻體受剪承載力有限，僅有1020，但和每層圈梁一起形成對(duì)墻體的分片約束，顯著增強(qiáng)墻體的變形能力和延性，限制裂縫延伸和墻體錯(cuò)位，防止磚墻碎塊脫落（此為要害），維持豎向承載能力靠摩擦消耗吸收地震能量。在具體設(shè)計(jì)中，圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置至少應(yīng)滿足規(guī)范要求，建議圈梁最好每層設(shè)置，

13、構(gòu)造柱數(shù)量也宜多不宜少，且在承重墻體交叉處均設(shè)置，同時(shí)注意新抗震規(guī)范特別修訂的“樓、電梯間四角，樓梯段上下端對(duì)應(yīng)的墻體處，外墻轉(zhuǎn)角處”均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱。 (4)結(jié)構(gòu)延性能力。延性對(duì)抗震來說是極其重要的一個(gè)性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。從構(gòu)件角度來看，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點(diǎn)：混凝土極限壓應(yīng)變和破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實(shí)質(zhì)都是這兩個(gè)根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越大，混凝土受壓區(qū)高度就越大，延性越差；受壓鋼筋越多，混凝土受壓區(qū)高度越小，延性越好；混凝土強(qiáng)度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好。從結(jié)構(gòu)角度來看，延性可用頂點(diǎn)位移或?qū)娱g極限位移比表示。延性比大的結(jié)構(gòu)，地震作用下結(jié)構(gòu)可通過屈服截面的塑性變形耗散更多的地震能量，避免發(fā)生脆性破壞。因此，對(duì)于延性框架的設(shè)計(jì)要做到“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”，對(duì)于延性剪力墻的設(shè)計(jì)要做到“強(qiáng)墻肢弱連梁、強(qiáng)剪弱彎、限制剪壓比、