李瑞明

摘 要:本文論述了地震波對建筑物的影響,提出了建筑設(shè)計(jì)中的主要抗震設(shè)計(jì)問題,如:建筑體型,建筑平面和豎向布置要有利于建筑抗震。并結(jié)合震害,論述了建筑體型簡單對稱、平面和豎向布置中質(zhì)量與剛度分布均勻協(xié)調(diào)對建筑抗震的重要性。

關(guān)鍵詞:建筑設(shè)計(jì);建筑抗震設(shè)計(jì);建筑體型;建筑平面布置

2008年5月的汶川地震造成了重大的人員傷亡及財(cái)物損失,房屋損毀嚴(yán)重,汶川縣八個(gè)鎮(zhèn)被夷為平地,大多數(shù)人也是因?yàn)榉课莸顾鲭y。房屋結(jié)構(gòu)安全、抗震性能等問題,再次受到廣泛關(guān)注。汶川當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防裂度是七度,7.8級地震在當(dāng)?shù)叵喈?dāng)于裂度9度到10度,很多房屋倒塌是無法避免的,究其原因是設(shè)計(jì)建筑的時(shí)候?qū)拐鸬目紤]不足。今就建筑抗震設(shè)計(jì)中幾個(gè)比較重要的問題,談個(gè)人的一些粗淺看法,供有關(guān)工程技術(shù)人員參考,不妥之處,望指正。

1 掌握地震對建筑物破壞的因素

地震引起建筑物破壞的原因來自多方面。過去有人認(rèn)為,只要把房屋加固,即可起到抗震作用。事實(shí)上,地震對建筑物的破壞,不僅在于房屋結(jié)構(gòu)本身,而且與地震引起的強(qiáng)烈地面運(yùn)動對地基土壤的影響,以及不同建筑物對地震的反應(yīng)有著密切的關(guān)系。

1.1 地震波對建筑物的影響

地震從震源發(fā)出后,產(chǎn)生地震波。地震波在地殼彈性實(shí)體中擴(kuò)散,形成兩個(gè)分力:一個(gè)是縱波、另一個(gè)是橫波。縱波往地面擴(kuò)散時(shí),質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的前進(jìn)方向一致,可產(chǎn)生上下顫動。橫波的質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的前進(jìn)方向垂直,成左右搖晃動作。這兩種波相比,縱波的傳播速度為橫波的1.8倍,因此縱波先于橫波到達(dá)?？v波因振動周期短(約為0~0.5秒),振幅小,傳播的距離較近,而橫波因振動周期長(約在1秒以上,有時(shí)可達(dá)2~5秒),振幅大,傳播的距離較遠(yuǎn)。對建筑物來說,縱波只影響8~11公里,而后強(qiáng)度就衰減,但橫波可以影響到160公里以外的地方。所以地震時(shí),在震中附近,建筑物會同時(shí)產(chǎn)生上下頗動和左右搖晃,在離震中較遠(yuǎn)處,上下頗動就較少或先感覺有微弱上下頗動,然后才感覺左右搖晃。在地震學(xué)中,另有一種波叫面波。它是縱、橫波經(jīng)地層介質(zhì)多次反射形成的次生波。一般當(dāng)橫波到達(dá)時(shí),地面運(yùn)動最為劇烈。因此多數(shù)國家在抗震設(shè)計(jì)中,除一些特種工程外,只考慮橫波的影響。

此外,地層內(nèi)的巖層裂隙錯(cuò)動范圍對震級大小有密切關(guān)系。巖層裂隙錯(cuò)動范圍越大,震級就越大,強(qiáng)震時(shí)間就越長,因而產(chǎn)生地震波就越強(qiáng)。

1.2 建筑物受地震波策動的反應(yīng)建筑物按一般物理特性,都具有其振動的固有周期。如地震波的振動周期與建筑物的固有周期愈接近,就愈容易產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,加劇建筑物振動造成損失,甚至引起倒塌。建筑物固有周期,一般可按建筑高度、重力加速度等參數(shù),從橫型測試或?qū)嶋H振動數(shù)據(jù)計(jì)算得知。相對來說,特別是從地震破壞波及的地區(qū)廣度來說,大地震對高層建筑影響較大,小地震對低層建筑影響

2 重視地震區(qū)建筑設(shè)防

地震區(qū)建筑設(shè)防不設(shè)防,震后的結(jié)果大不一樣。以美國洛杉磯圣費(fèi)爾南多地震為例,由于接受了1933年長灘地震使房屋普遍倒塌的教訓(xùn),重視執(zhí)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,減少了這次地震房屋建筑的損失,大多是局部遭受了一些損壞,只有近千棟房屋倒塌。長灘地震時(shí),因?qū)W校建筑未考慮抗震問題,都遭到重大破壞。但圣費(fèi)爾南多地震中,所有九千所學(xué)校的建筑,由于考慮了抗震,設(shè)了防,只一些非結(jié)構(gòu)件遭到損壞,也容易修復(fù)。1925年沒有按抗震規(guī)范設(shè)計(jì)、建造的一座二、三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)大型醫(yī)院建筑,遭到嚴(yán)重倒塌。而其近旁1938年后修建的一些房屋,由于重視抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,多數(shù)采用剪力墻以加強(qiáng)抗震能力,只出現(xiàn)一些非主要裂縫。因此,地震區(qū)建筑如何設(shè)防,減少震災(zāi),是各國普遍重視的問題。

3 建筑設(shè)計(jì)中需重視的幾個(gè)抗震問題

3.1 建筑構(gòu)件(非結(jié)構(gòu)構(gòu)件)設(shè)計(jì)及建筑連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)問題

隨著建筑立面和室內(nèi)空間裝飾標(biāo)準(zhǔn)的提高和發(fā)展,在建筑設(shè)計(jì)上采用的建筑構(gòu)件品種、材料和形式越來越多。例如,立面上大量采用的外貼瓷磚,外貼、外掛大理石,花崗巖板材,還有外掛的玻璃幕墻等;室內(nèi)裝飾普遍采用的空中吊燈、吊頂,較高裝飾標(biāo)準(zhǔn)采用的人工藝術(shù)造景,壁雕,懸挑的裝飾畫,豎立的雕塑制品等。所有這些立面和室內(nèi)的裝飾,都有一個(gè)其本身材料和構(gòu)造是否能抗御住地震的震動而不壞的問題,同時(shí)還有與建筑物主體結(jié)構(gòu)相牢固連接的問題。多次地震的震害表明,國外有不少高層建筑的外立面裝飾玻璃幕墻在地震時(shí)出現(xiàn)了“玻璃雨”的破壞(我國因玻璃幕墻在近十年來才較多采用,尚未經(jīng)受過地震的實(shí)際考驗(yàn))。其原因就是所采用的玻璃幕墻(包括材料性能及其與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造)不能適應(yīng)建筑物在地震中產(chǎn)生大變形的要求。所以,在采用玻璃幕墻時(shí),在建筑設(shè)計(jì)要求上,必須使玻璃幕墻具有足夠的強(qiáng)度和變形能力,在其與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造上,要將連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成能沿水平向有相應(yīng)變位能力的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,使其與建筑物的地震變形脫開,不給外掛的玻璃幕墻造成變形破壞。對于外掛的大型石材面板與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造也應(yīng)按上述要求考慮處理。對直接外貼的板材和瓷磚,則必須使其與主體結(jié)構(gòu)能牢固錨拉和粘結(jié),使其在地震時(shí)不脫開不墜落。據(jù)知,在日本的高層建筑上很少用直貼面磚裝飾立面的,而我國則有的直貼得很高。需要重視其抗震的構(gòu)造連接問題。

對室內(nèi)的各種裝飾工程,尤其是懸吊的大型燈具,浮掛的雕塑,各種懸桃的人工藝術(shù)造景等,在建筑設(shè)計(jì)上,一定要重視其在地震發(fā)生時(shí)的抗震穩(wěn)定性,在其與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造上也宜考慮它有一定的相對于建筑物的變形能力和必要的節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度,防止其在地震中發(fā)生墜落或倒塌傷人。在建筑設(shè)計(jì)中,還有相當(dāng)多的屬于建筑布置的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如內(nèi)隔墻、內(nèi)隔斷、玻璃隔斷、壁櫥(柜)等,也要考慮它們與主體結(jié)構(gòu)(柱、墻)的牢固錨拉,保障其抗震穩(wěn)定性,不發(fā)生倒塌破壞,或采用與主體結(jié)構(gòu)脫開的保障自身穩(wěn)定的抗震措施。

3.2 建筑上應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)限值控制問題

根據(jù)大量震害的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2001)對房屋建筑在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的一些抗震要求的限值控制提出了規(guī)定。這些規(guī)定,建筑設(shè)計(jì)應(yīng)予遵守。是房屋的建筑總高度和層數(shù)。若發(fā)生超規(guī)情況,都可能對建筑物的抗震安全帶來不利,特別是對于高寬比過大的多、高層建筑更是不利。因?yàn)樵谶@種情況下,存在房屋的整體抗震穩(wěn)定問題。應(yīng)該說,這些限值的控制在建筑設(shè)計(jì)上只要重視抗震是完全可以做到的。而在某市的抗震設(shè)計(jì)審查中發(fā)現(xiàn),建筑超高和高寬比過大的設(shè)計(jì)達(dá)14%之多。這說明在建筑設(shè)計(jì)中未能嚴(yán)格按照《規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題不是個(gè)別的,應(yīng)引起建筑設(shè)計(jì)的重視;是對房屋抗震橫墻間距和局部墻體尺寸的限值控制。這是根據(jù)多層砌體房屋和底層為框架的多層砌體房屋在歷次地震中所出現(xiàn)的破壞特征所提出來的規(guī)定。對抗震橫墻間距的最大限值控制,是因?yàn)楫?dāng)橫墻間距過大時(shí),樓蓋的平面剛度削弱,水平地震力不能即時(shí)傳遞,使縱墻的側(cè)向變形加大,抗震承載力降低,甚至導(dǎo)致縱墻的側(cè)向失穩(wěn)破壞倒塌對房屋局部墻體尺寸最小限值的控制,是因?yàn)檫@些部位的墻體(包括承重和非承重外墻的盡端墻,內(nèi)墻的陰角,高出屋面的女兒墻)在小于規(guī)定的最小限值時(shí),墻體截面的抗震強(qiáng)度(抗彎、抗剪)就不能滿足要求,就會導(dǎo)致墻體的開裂和倒塌破壞。所以,在建筑進(jìn)行平立面布置設(shè)計(jì)時(shí),要考慮這些來自實(shí)際震害經(jīng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)控制規(guī)定,使建筑設(shè)計(jì)為建筑抗震提供良好的基礎(chǔ)。

總起來說,建筑設(shè)計(jì)是建筑抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面,建筑設(shè)計(jì)與建筑抗震設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。它對建筑抗震起著重要的基礎(chǔ)作用。一個(gè)優(yōu)良的建筑抗震設(shè)計(jì),必須是在建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互配合協(xié)作共同考慮抗震的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成。為此,要充分重視建筑設(shè)計(jì)在建筑抗震設(shè)計(jì)中的重要性,在建筑抗震設(shè)計(jì)中更好地發(fā)揮建筑設(shè)計(jì)應(yīng)有的作用。

參考文獻(xiàn)

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