周廷軍

摘 要：近些年來(lái)，我國(guó)的建筑總面積一直在快速增長(zhǎng)，與此同時(shí)，建筑水平也得到了很大程度的提升，建筑的風(fēng)格與功能不再像以前那么單一。但是，在地震發(fā)生時(shí)，還是不能確保建筑的安全性，尤其是在地震等級(jí)較大時(shí)，很有可能因?yàn)榻ㄖ奶?，?dǎo)致很多人失去生命。在這種情況下，就必須考慮如何做好建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能地減少因地震的發(fā)生而導(dǎo)致的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本文主要針對(duì)建筑在地震發(fā)生時(shí)可能出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題，以及在抗震設(shè)計(jì)方面現(xiàn)有的一些抗震方式進(jìn)行分析和介紹。

關(guān)鍵詞：建筑；地震；抗震設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

眾所周知，地震是一種比較隨機(jī)的振動(dòng)現(xiàn)象，具有復(fù)雜性、不確定性等諸多不便于人們操控的特征。截至目前為止，還沒(méi)有找到一種可以預(yù)測(cè)建筑物在地震發(fā)生時(shí)受到的影響參數(shù)。在結(jié)構(gòu)分析方面，由于不能充分地考慮結(jié)構(gòu)的空間特征、材料的性能、建筑所能承受的振動(dòng)頻率等因素，所以在針對(duì)建筑的抗震性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了從“計(jì)算設(shè)計(jì)”的角度出發(fā)以外，還要考慮“概念設(shè)計(jì)”對(duì)于問(wèn)題解決的幫助。概念設(shè)計(jì)是指從結(jié)構(gòu)的整體性出發(fā)，用結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，尋找關(guān)于建筑抗震性能的設(shè)計(jì)方法，其目標(biāo)就在于使得建筑的整個(gè)結(jié)構(gòu)在抗擊地震中發(fā)揮最大的作用，減少地震對(duì)于建筑中薄弱地區(qū)的沖擊力，在最大程度上保護(hù)建筑的完整性。

在對(duì)建筑的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范有了一定的了解之后，才發(fā)現(xiàn)抗震的概念設(shè)計(jì)對(duì)于建筑的抗震性有著極大的影響。無(wú)論是舊的條文規(guī)定，還是新的抗震規(guī)范，都重點(diǎn)突出了建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)在抗震方面的重要影響。所以，要想設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑能有很好的抗震性能，首要考慮的就是抗震概念設(shè)計(jì)的一般原則。

1 建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)原則

在建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不能只憑借計(jì)算的結(jié)果而對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行規(guī)劃，因?yàn)橛龅浇Y(jié)構(gòu)不規(guī)整的建筑時(shí)，僅僅依靠現(xiàn)有的計(jì)算水平，設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑不僅難以達(dá)到抗風(fēng)的要求，在抗震方面更是作用微弱。所以，除了對(duì)計(jì)算方面有著嚴(yán)格的規(guī)定外，國(guó)家對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他方面也有相關(guān)規(guī)定。下面就針對(duì)經(jīng)常使用的一些原則與規(guī)定進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析介紹。

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性

在我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中有著明確規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)，要具備直接、明確的傳力途徑，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)算簡(jiǎn)圖要盡量做到簡(jiǎn)單易懂。只有具備簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，才能在對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行計(jì)算分析的時(shí)候，做到精確把握、準(zhǔn)確計(jì)算，在建筑的薄弱部分進(jìn)行加固處理，最終做到抵抗地震的沖擊。

1.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性與均勻性

抗震設(shè)計(jì)規(guī)范上有規(guī)定，建筑在設(shè)計(jì)上要做到規(guī)則、對(duì)稱與良好的整體性，如果設(shè)計(jì)的不規(guī)則，建筑本身就容易發(fā)生偏心，在外力作用下更難保持平衡。建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度應(yīng)該均勻變化，豎向的材料剛度從上到下越來(lái)越大，這樣可以減小因承載力的增大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的可能性。在建筑平面比較規(guī)則的時(shí)候，就要采用規(guī)則的平面布置，這樣可以減少地震慣性力傳播的時(shí)間，并且質(zhì)量分布均勻的建筑，可以減少偏心出現(xiàn)的可能，有助于防止薄弱部分的破壞甚至坍塌。

1.3 結(jié)構(gòu)剛度與抗震

為了在地震發(fā)生時(shí)，抵抗雙向的沖擊作用，建筑不僅要有抵抗來(lái)自兩個(gè)主軸方向的剛度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須還要考慮。建筑是否能夠經(jīng)受住來(lái)自任意方向的壓力。在選擇結(jié)構(gòu)的剛度時(shí)，既要減少地震對(duì)于結(jié)構(gòu)的沖擊作用，還要控制結(jié)構(gòu)的變形，因?yàn)樵谧冃屋^大的情況下，建筑就有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。除此之外，我們還要考慮地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)分量對(duì)于建筑的影響，提升建筑的抗扭轉(zhuǎn)能力，這種想法雖然已經(jīng)被提出，但是目前的建筑水平還沒(méi)有達(dá)到可以考慮抗扭轉(zhuǎn)性能的要求。所以說(shuō)，應(yīng)該在抗震的概念設(shè)計(jì)中多一些抵抗扭轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方案。

1.4 結(jié)構(gòu)整體性

在任意建筑中，樓蓋都具有不可替代的作用，它就相當(dāng)于一個(gè)水平隔板，可以傳遞慣性力到各個(gè)豎直的結(jié)構(gòu)中，從而將各個(gè)結(jié)構(gòu)連接成一個(gè)整體，在地震發(fā)生時(shí)，可以協(xié)調(diào)這些豎直結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)地震的沖擊作用。當(dāng)樓蓋不存在或者出現(xiàn)較大的漏洞時(shí)，在設(shè)計(jì)中往往忽略了這些因素的影響，計(jì)算結(jié)果顯示建筑不會(huì)受到地震的影響，就忽略樓蓋對(duì)于整個(gè)建筑體系的作用效果。

2 建筑結(jié)構(gòu)遇到的問(wèn)題及解決方案

現(xiàn)如今，我國(guó)的建筑在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常使用等效斜撐的辦法來(lái)增加建筑的抗震效果，隨著地震的發(fā)生與技術(shù)的逐漸應(yīng)用，我們很容易發(fā)現(xiàn)，這種抗震方式雖然取得了一定的成績(jī)，但是由于它的精確度非常低，導(dǎo)致在計(jì)算過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很多難以預(yù)料的錯(cuò)誤，在實(shí)際施工中很難做到準(zhǔn)確把握。為此，相關(guān)的研究人員提出了在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，但是實(shí)驗(yàn)證明，有限元軟件分析的方式太過(guò)復(fù)雜，在模型建立的過(guò)程中不能把建筑的每個(gè)部分再現(xiàn)出來(lái)。所以，我們?cè)诮ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該做到對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體抗震性能有一個(gè)很好的把握。

2.1 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)

目前，在建筑中使用鋼筋混凝土?xí)r，需要通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的截面尺寸和最小配筋率來(lái)提高抗震性能。而以磚混結(jié)構(gòu)為主的建筑，就需要對(duì)建筑的整體高度及每層的高度進(jìn)行限制，甚至有些建筑專門在橫縱墻里加入支撐柱，以此來(lái)增強(qiáng)抗震效果。

2.2 根據(jù)性能要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)

在建筑施工前，首先應(yīng)該對(duì)當(dāng)?shù)乜赡馨l(fā)生的地震強(qiáng)度進(jìn)行了解，然后再根據(jù)地震強(qiáng)度設(shè)計(jì)建筑的抗震性能。值得注意的是，建筑的內(nèi)部構(gòu)成對(duì)于整體的抗震效果也有非常大的影響，所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮每一個(gè)部位的抗震能力，這樣在抵抗地震時(shí)，就會(huì)減少薄弱部分的存在。

2.3 根據(jù)建筑場(chǎng)地進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)

最后一點(diǎn)，也是最重要的一點(diǎn)，就是建筑場(chǎng)地的選擇對(duì)于建筑抗震能力的影響。建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的情況下，才能有一個(gè)很好的抗震能力，如果建筑場(chǎng)地本身穩(wěn)定性能差，而我們必須要在這塊土地上建設(shè)樓房時(shí)，可以在建設(shè)樓房時(shí)設(shè)置一個(gè)抗震層，這樣就可以在一定程度上達(dá)到抗震的目的。除此之外，還要考慮建筑物周圍的環(huán)境因素對(duì)于建筑的影響，設(shè)計(jì)的時(shí)候，要對(duì)建筑上部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)的調(diào)整，以滿足周圍環(huán)境對(duì)建筑的要求。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般辦法

3.1 增添基礎(chǔ)性抗震措施

為了能夠增強(qiáng)建筑的抗震效果，研究人員在原有抗震辦法的基礎(chǔ)上，又探究出了很多科學(xué)、合理的抗震方法，比如地基隔震、基礎(chǔ)隔震、間層隔震、懸掛隔震等。地基隔震就是在建筑的地基與土層之間設(shè)置一個(gè)緩沖層，在地震發(fā)生時(shí)，緩沖層就可以吸收一部分震動(dòng)力，減小震動(dòng)對(duì)于建筑的沖擊。現(xiàn)如今，常用的地基隔震層是由瀝青材料做成的；基礎(chǔ)隔震是在建筑的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)位置的接觸點(diǎn)上建立一個(gè)隔震層，這在抗震設(shè)計(jì)上是非常重要的，可以減少地震對(duì)建筑上部結(jié)構(gòu)的傷害，保護(hù)居民的人身安全；間層隔震一般安裝在原始的結(jié)構(gòu)層上，具有操作簡(jiǎn)便、抗震性能強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)大的地震發(fā)生時(shí)，可以吸收地震沖擊后剩余的力量，起到削減沖擊力的效果，最終達(dá)到保護(hù)建筑的目的；懸掛隔震，就是利用懸掛的方式，把建筑物與地面隔離開(kāi)，在地震發(fā)生的時(shí)候，就可以把對(duì)地面的震動(dòng)與對(duì)建筑的沖擊力分離開(kāi)，不過(guò)這種方法不能運(yùn)用到鋼筋混凝土的建筑中，只能在鋼結(jié)構(gòu)的建筑中采用。

3.2 采用機(jī)敏減震支撐體系

機(jī)敏減震支撐體系是一種新型的防震技術(shù)，主要運(yùn)用的是活塞的運(yùn)動(dòng)原理，對(duì)建筑的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，作用在建筑上的力可以使彈簧壓縮，從而削減一部分沖擊力，降低地震對(duì)建筑的損耗。雖然，現(xiàn)有的技術(shù)水平還存在很大的有漏洞，不過(guò)相信在未來(lái)的幾年里，這項(xiàng)技術(shù)一定可以得到完善，并運(yùn)用到更多的領(lǐng)域中。

3.3 應(yīng)用效能減震技術(shù)

目前我國(guó)效能減耗技術(shù)在建筑上的應(yīng)用主要依靠消能器和阻尼器，這兩種器械都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地震能量的消耗吸收，減小地震對(duì)于建筑的破壞程度，以此來(lái)保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)安全和人們生命安全。

4 以高層混凝土建筑為例，分析抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自改革開(kāi)放之后，大量的務(wù)農(nóng)人民開(kāi)始涌入城市，導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民逐步增多，在這種情況下，我國(guó)的建筑開(kāi)始形成以高樓大廈為主的建筑風(fēng)格。而高層建筑就好像一個(gè)豎向的懸臂結(jié)構(gòu)，用力學(xué)知識(shí)分析可知，在垂直荷載的作用下，結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生與建筑的高度呈線性關(guān)系的軸向力，而水平荷載不產(chǎn)生力，只產(chǎn)生彎矩。如果來(lái)自垂直方向的荷載方向不發(fā)生變化，建筑高度的改變只引起軸向力大小的變化，在方向上不會(huì)有任何影響。而水平荷載不同，它的方向隨時(shí)都在發(fā)生著變化，這可以看做均布荷載時(shí)產(chǎn)生的彎矩與建筑的高度呈二次方的關(guān)系。由此可以知道，水平荷載對(duì)于高層建筑的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載，在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮建筑抵抗水平荷載產(chǎn)生的剪力、彎矩的效果。

4.1 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，就要把建筑的使用功能、施工材料、場(chǎng)地要求等因素放到一起，進(jìn)行綜合的考慮與分析。一般常用的高層建筑結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框架與剪力墻結(jié)合這3種。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是方便對(duì)室內(nèi)的空間進(jìn)行布局調(diào)整，缺陷是，它不適用于高層建筑，只有在樓層不是很高時(shí)，水平荷載對(duì)于建筑的影響力才比較小，框架結(jié)構(gòu)的使用也較為合理。框架結(jié)構(gòu)是以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，抗震效果不明顯，所以現(xiàn)在單獨(dú)使用框架結(jié)構(gòu)的工程越來(lái)越少。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)，布置的時(shí)候比較靈活，可以采用橫向、縱向或者多軸線相交等多種方式，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗性比較大，即使作用很大的水平力，也只發(fā)生微小的位移。不過(guò)與框架結(jié)構(gòu)相反，在室內(nèi)結(jié)構(gòu)確定之后，就很難再進(jìn)行重新布置。結(jié)合框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將兩者融為一體，就是在框架的薄弱部分添加剪力墻，這種結(jié)構(gòu)在繼承了兩者的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在一些問(wèn)題，因?yàn)榭蚣芘c剪力墻的剛度有著很大的差異，在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生大小不一的位移，所以在使用過(guò)程中，要注意兩者的變形協(xié)調(diào)。

4.2 高層建筑的結(jié)構(gòu)布置

在高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)建時(shí)，應(yīng)該注意以簡(jiǎn)單、規(guī)則為主，整個(gè)結(jié)構(gòu)必須要有足夠的承載能力與變形能力。雖然建筑中的每個(gè)部分相互依存，共同支撐著整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)其中的某個(gè)部位發(fā)生破壞時(shí)，不能影響到整個(gè)建筑的承載能力。這就需要工作人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，就對(duì)建筑中的薄弱部分進(jìn)行加固處理，并且根據(jù)豎向和橫向結(jié)構(gòu)承載能力的不同，進(jìn)行合理的布局。

4.3 提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能

高層建筑在受力特征上與低層建筑有著很大的不同。在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮強(qiáng)度與剛度是否滿足要求，還要考察建筑的抗震能力。這個(gè)考察過(guò)程非常復(fù)雜，簡(jiǎn)單的人力計(jì)算根本無(wú)法完成這種高強(qiáng)度的工作，這時(shí)就需要使用正確的結(jié)構(gòu)電算軟件，而且對(duì)工程師的要求也很高，他們必要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的概念、模型、計(jì)算步驟有著深入的了解。在遇到結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況時(shí)，要建立兩個(gè)以上的力學(xué)模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)出來(lái)之后，還要進(jìn)行比較處理，只有在各個(gè)方面都符合相關(guān)條例規(guī)定的時(shí)候，結(jié)構(gòu)的計(jì)算過(guò)程才算結(jié)束。

通過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì)，要保證建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒，這就要框架與剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻高寬比不能小于2，這樣才能在地震發(fā)生時(shí)，使得建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎剪破壞，并且塑性屈服是在建筑的底部。還有一點(diǎn)，為了保證建筑中鋼筋的承載力，需要按照強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在選擇鋼筋、混凝土?xí)r，充分考慮建筑的需要。

結(jié)語(yǔ)

我國(guó)科技的發(fā)展水平，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到預(yù)測(cè)將要發(fā)生地震的時(shí)間及地點(diǎn)的目的，再加上廣大人民群眾對(duì)于地震的知識(shí)把握不是很多，這就需要在進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮它的抗震性能是否能夠達(dá)到國(guó)家要求的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)介紹與分析建筑的設(shè)計(jì)原則、經(jīng)常遇到的一些問(wèn)題及解決辦法，希望可以讓大家了解準(zhǔn)確的抗震原則、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與受力情況，從而保證在地震發(fā)生時(shí)，能夠使建筑物整體結(jié)構(gòu)和每一部分都充分發(fā)揮它們的作用，保障人們的生命與財(cái)產(chǎn)安全。

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