文/楊旭 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014060
地震災(zāi)害不僅破壞性非常強(qiáng),而且具有突發(fā)性的特點(diǎn),造成的損害也相當(dāng)嚴(yán)重,因此,人們對于建筑物抗震能力越來越重視。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中,抗震工程有著很大的重要性,不但需要從建筑本身功能全面考慮,同時需要深入考慮建筑物的荷載、內(nèi)力和變形等各個領(lǐng)域。從當(dāng)前來看,在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計活動中,防震安全性設(shè)計尚有很多缺陷存在,要求相關(guān)專家繼續(xù)加強(qiáng)研究,在具體實施中還需要與有效的抗震方法及技術(shù)經(jīng)驗進(jìn)行充分融合,從而進(jìn)一步提高建筑的抗震性能,進(jìn)一步提高建筑的安全性、穩(wěn)定性和持久性。
所謂的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計概念,是指把建筑架構(gòu)設(shè)計理論引入抗震工程之中,使建筑結(jié)構(gòu)具備良好的抗震功能。而近年來,隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的逐步推進(jìn),超高層工程已成為中國新時期工程的重點(diǎn)方向。把抗震理念滲透到建筑架構(gòu)設(shè)計之中,可以全面提高建筑的防震能力,給出現(xiàn)嚴(yán)重水文災(zāi)害的住宅建筑帶來了合理的安全保護(hù)。另外,好的防震結(jié)構(gòu)設(shè)計還能夠增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和延展性,在強(qiáng)震后建筑結(jié)構(gòu)仍然能夠維持理想的安全性,能夠滿足使用要求。所以,建筑結(jié)構(gòu)的防震設(shè)計是建筑架構(gòu)設(shè)計的主要部分,可以提高房屋的防震水平,增加了建筑的利用功能。
1.2.1 強(qiáng)化建筑的內(nèi)部性能
抗震設(shè)計概念在建筑中的滲入,還可以進(jìn)行對建筑布置以及結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面的理論指導(dǎo),以保證結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性,在建筑抗震設(shè)計時留出的余地有利于結(jié)構(gòu)比較合理,在進(jìn)行建筑抗震設(shè)計方案的設(shè)計中,還需要嚴(yán)格按照國家規(guī)范的建筑參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),或者參考結(jié)構(gòu)上的剪力墻設(shè)計,使建筑布置可以比較均衡合理,即便出現(xiàn)對建筑構(gòu)件核心部位的破壞,仍可保證結(jié)構(gòu)良好的抗震功能。
1.2.2 提升結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的路徑
建筑設(shè)計工作者在對房屋構(gòu)造的建筑設(shè)計實踐中必須注意各種因素的作用,從整體方面考慮到提高結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的途徑,在傾注較多心血基礎(chǔ)上,解決人們提出的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。由于進(jìn)行修改工程涉及的條件相當(dāng)多,所以在架構(gòu)設(shè)計中需要對地震的構(gòu)件進(jìn)行多源分析,同時要在材料性能研究上提高架構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性。這樣可以增強(qiáng)工程架構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性,根據(jù)情況提供針對性的設(shè)計方法,通過對原有構(gòu)件的改造工程來提高其改造能力。以此在建筑材料科學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,保證抗地震架構(gòu)設(shè)計的科學(xué)化,根據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)狀況和抗震特點(diǎn)開展房屋構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計,在符合抗震要求的基礎(chǔ)上,為民眾提供較為安全的住宅條件。
1.2.3 提升建筑抗震應(yīng)用效果
多年的工程建設(shè)經(jīng)驗積淀,使建筑的技術(shù)知識體系進(jìn)一步發(fā)展,累積了相當(dāng)較好的工程建設(shè)實踐經(jīng)驗,同時通過現(xiàn)代先進(jìn)理念在建筑上的運(yùn)用,也能夠提高抗震的有效性,部分建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的凹凸不規(guī)則和超出屋頂高層建筑標(biāo)準(zhǔn)的狀況,在建筑物的抗震方案中,通過加入現(xiàn)代建筑的相關(guān)概念,就可以較好的解決這些問題,從而提高了其實際剛度。建筑工程中把升降機(jī)設(shè)置在中央部位,這是一個提高抗震工程效益的主要方法。
在建筑抗震構(gòu)造的設(shè)計中,對建筑結(jié)構(gòu)材料在各個領(lǐng)域中的特性都提出了更高的要求,比如承載力、強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及延性等。在設(shè)計耐震構(gòu)造體系時,建筑設(shè)計人員還應(yīng)該充分考慮到震后往往會有許多余震。一般利用多線防御設(shè)計,利用延性與剛度的聯(lián)合效應(yīng),逐漸消耗震害能力,從而降低震害對建筑的損害,提高建筑構(gòu)件的防震效能。在震害作用下,能夠在損傷主耗能材料后實現(xiàn)彈性適應(yīng),防止建筑物構(gòu)件的二度損傷。耐震結(jié)構(gòu)設(shè)計要遵守的準(zhǔn)則還有如下幾方面。
從建筑的觀點(diǎn)出發(fā),抗震建筑的建筑設(shè)計應(yīng)當(dāng)貫徹整體性原理,在抗震建筑的建筑設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)保證建筑構(gòu)件的總體抗震特性。防止因為地震災(zāi)害所引起的部分結(jié)構(gòu)損傷而造成整體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定,從而產(chǎn)生潛在的重大安全隱患。同時把建筑抗震構(gòu)件劃分成若干級結(jié)構(gòu),根據(jù)需要提高各個次級結(jié)構(gòu)的整體抗震特性,并進(jìn)行次級結(jié)構(gòu)間的合理銜接,改善房屋的總體抗震特性。
從流體力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā),為建筑物所設(shè)計的防震結(jié)構(gòu)大多通過分散傳播能量和消耗地震力的途徑來減輕對地震的損害,所以很有必要做好地震傳播途徑的選擇。在這些前提下,了解建筑構(gòu)件的具體位置就十分關(guān)鍵。利用計算機(jī)技術(shù),能夠精確測算在抗震期間作用于建筑結(jié)構(gòu)模型上的作用力,從而有效應(yīng)對和增強(qiáng)在抗震構(gòu)件中出現(xiàn)的問題,總體上通過提升建筑效率和水平就可以完成抗震結(jié)構(gòu)。
側(cè)向剛性也是建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的主要內(nèi)容。保證側(cè)向強(qiáng)度的統(tǒng)一性,才能提高建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力。建筑物空間結(jié)構(gòu)的布置主要包括了垂直與水平。所以,有必要在建筑物結(jié)構(gòu)抗震工程設(shè)計中進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)化與合理化,以保證建筑物結(jié)構(gòu)中各組成部分的側(cè)向強(qiáng)度均相同,以便于提高建筑物空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力與抗震性。
建筑剛性與抗震性能是判斷建筑物結(jié)構(gòu)是否有效對抗地震災(zāi)害的關(guān)鍵因素,所以建筑物設(shè)計的抗震方案設(shè)計要堅持建筑剛性與抗震性能相匹配的原則。在防震建筑設(shè)計活動中,工程設(shè)計技術(shù)人員要高度重視建筑構(gòu)件的剛性。近年來,由于建筑高度的增大,對建筑強(qiáng)度的要求也愈來愈大,建筑強(qiáng)度和防震水平的配合原理顯得愈來愈關(guān)鍵。
加強(qiáng)建筑抗震設(shè)計,最終目的是為了有效抵御各類地震災(zāi)害造成的不利影響,增強(qiáng)建筑物自身抗震能力,避免人員和財產(chǎn)遭受損失。但是在過去很長一段時間里,即使是在當(dāng)下,仍然有部分建筑工作者,僅是利用傳統(tǒng)的混凝土鋼筋的自身強(qiáng)度來抵抗地震所產(chǎn)生的破壞。在實際經(jīng)驗中表明,建筑構(gòu)造中大量使用混凝土鋼筋的最終質(zhì)量取得的效果并不佳,一旦混凝土鋼筋量使用過多,反而會導(dǎo)致建筑材料延性的下降,從而使得建筑構(gòu)造抗震能力無法保證。由于科學(xué)研究工作的不斷深入,許多建筑設(shè)計人員逐漸發(fā)覺,對抗震工程設(shè)計僅僅采用理論計算是不夠全面的,在建筑設(shè)計過程中,還必須對需要加強(qiáng)的地方加以合理設(shè)計,對建筑薄弱部位加以合理設(shè)計,采用這樣的合理設(shè)計方法,來最大程度地保證建筑結(jié)構(gòu)安全,這主要是因為容易損壞的薄弱結(jié)構(gòu)會擾亂震動時機(jī),從而提高了建筑物穩(wěn)定性。由此可見,在建筑物抗震設(shè)計過程當(dāng)中,建立合理的抗震設(shè)計理念,十分關(guān)鍵。
當(dāng)前的中國房屋結(jié)構(gòu)往往在抗震中出現(xiàn)了大面積損壞,究其原因,主要是由于抗震工程在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上的效果還不夠突出,對工程技術(shù)人員缺乏重視而導(dǎo)致,而且這種問題特別容易在建筑的加層或在改造時出現(xiàn),而這種小問題,甚至小隱患在遭受地震以后也會被進(jìn)一步擴(kuò)大,變成了危及人身健康和房屋安全的嚴(yán)重問題,所以工程設(shè)計部門就必須根據(jù)中國建筑的特點(diǎn),對抗震等級和建筑的基本結(jié)構(gòu)做出科學(xué)的判斷。
建筑的構(gòu)造體系是人類越來越關(guān)注的問題,建筑構(gòu)造系統(tǒng)的合理選擇對防震的產(chǎn)生具有重大的意義。由于目前,中國的建筑構(gòu)件大多以鋼筋居多,所以在變化調(diào)節(jié)的工作過程中要充分考慮鋼筋的位移影響。在剛框架系統(tǒng)中工作時很難改變較大的扭曲側(cè)移度。這些情形無益于提高結(jié)構(gòu)抗震作用,同時會增加構(gòu)件的荷載能力。從整體構(gòu)造系統(tǒng)中考察,結(jié)構(gòu)過渡層的設(shè)置十分關(guān)鍵,加強(qiáng)層和過渡層強(qiáng)度的剛性增加,在一定程度上導(dǎo)致剛性的突出,進(jìn)而增大了相鄰支撐構(gòu)件之間的剪應(yīng)力,所以要慎重的選用構(gòu)造模板,以防止負(fù)面效應(yīng)的產(chǎn)生。
隨著經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)一步發(fā)展,高層建筑在中國逐漸的擴(kuò)大,但是一些高層建筑的高度已經(jīng)超出了國家規(guī)定的范圍,我們要高度重視這種高層建筑。首先設(shè)計人員要進(jìn)行實際的調(diào)查,并在實際案例的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的論證。其次還要多次進(jìn)行模型試驗。因為高層建筑的高度都達(dá)到了一定的要求,那么在實際的地震活動中,對動作用力的破壞力將會大幅度的提升。由于建筑物樓層的上升,許多技術(shù)指標(biāo)都超過了正常的范圍,所以地震對它的損害范圍也大大的上升。
選取適宜的場所,是建筑設(shè)計工作者做好防震工程設(shè)計的第一步,也是最關(guān)鍵的步驟,因為適宜的場所有利于對抗地動力,而相對平整寬闊的土壤空間則有助于提高房屋的防震水平。相對平整的土壤空間可以傳導(dǎo)相同波速的地震波,防止在相同的地方發(fā)生不同的重力,相對密實和承載性能較高的土壤可以較好地分擔(dān)從房屋結(jié)構(gòu)傳下來的重力作用,還可以增強(qiáng)房屋和地面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在挑選施工地點(diǎn)的同時應(yīng)該盡可能規(guī)避完全液化粘土、濕陷性黃土、采空帶和河堤邊沿等地區(qū),防止混凝土體的密實性不均勻、硬度與凝結(jié)性差異對施工結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生干擾,對某些易出現(xiàn)水文自然災(zāi)害如塌方、泥石流的地區(qū)則應(yīng)該適當(dāng)回避,同時避免地震斷裂帶,減少施工建筑對震害的抵抗力。
合理布置建筑的結(jié)構(gòu)指的是進(jìn)行建筑的形體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計,并且要充分考慮建筑構(gòu)件的立體設(shè)計,其中包括地基基礎(chǔ)的埋深度。由于整個建筑物結(jié)構(gòu)都可認(rèn)為是一個錨固于地面當(dāng)中的柱形物體,在地震來臨時主要考慮重心是否會造成整體建筑物傾斜,這也便是由地震引起的水平力所產(chǎn)生的力矩大小和錨長度作用所產(chǎn)生的力矩之大小的比較,如果重心所產(chǎn)生的正力矩很大,那么整體建筑結(jié)構(gòu)就會傾斜,而如果較小則比較平穩(wěn)。做好房屋空間結(jié)構(gòu)的選擇和布局對增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)的抗震功能具有不言而喻的意義,在布局結(jié)構(gòu)的同時還必須重視一些問題。首先,在地震災(zāi)難出現(xiàn)的地方,建筑結(jié)構(gòu)承受的外力不僅是一種水平的推力影響,其結(jié)構(gòu)在空間上也可能遭受其他的外力影響,包括地震破壞事件中不同方式的房屋構(gòu)件的外力。所以在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)建設(shè)的同時必須充分考慮到構(gòu)造可以對抗各個方位的應(yīng)力,確保房屋構(gòu)造具有適當(dāng)?shù)膭傂?、硬度和安全性,可以對抗自然?zāi)害引起的應(yīng)力。所以,房屋構(gòu)件在空中的剛性和強(qiáng)度越高,越能夠?qū)沟卣?。其次,必須注意使建筑盡量簡潔,避免設(shè)計成異形構(gòu)造的住宅。因為對稱的房屋結(jié)構(gòu)是最能夠抵消地震的影響。此外,在建筑抗震設(shè)計規(guī)范中詳盡闡述了何為異形構(gòu)造,在地震發(fā)生過程中異型構(gòu)造的抗震性遠(yuǎn)超過單純的方形構(gòu)造,但同時在建筑設(shè)計中也要注意盡量避免在房子的四角部分設(shè)有門窗,這會削弱房子四角對地震的抗性,從而使得房屋結(jié)構(gòu)的抗震性大大地增加。工程設(shè)計時技術(shù)人員必須在保證將建筑構(gòu)件的體型盡可能簡化的情況下,對一些主要的結(jié)構(gòu)加以重新設(shè)計,確保建筑物的承載能力、所進(jìn)行的功能都可以達(dá)到相關(guān)工程的設(shè)計要求。最后,就是要保持房屋結(jié)構(gòu)的完整性,這就是說設(shè)計工作者必須在建筑設(shè)計時保持主要承重結(jié)構(gòu)、次要承重結(jié)構(gòu)及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)相互連接的完整。
在從事鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作時,特別是在抗震設(shè)計時必須對結(jié)構(gòu)的工程參數(shù)加以優(yōu)化,因為一旦工程參數(shù)的選定有誤,將對的抗震能力產(chǎn)生較大的危害,所以在工程設(shè)計以前,所有建筑設(shè)計工作者都必須對工程參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的計算,對于不可以設(shè)定的工程參數(shù)必須通過鑒定,勘察設(shè)計部門必須對現(xiàn)場情況加以確認(rèn)。從模擬地震災(zāi)害而形成的模型當(dāng)中研究,也可根據(jù)比例構(gòu)造房屋的模型,并在振動臺上將抗震現(xiàn)象加以測量,找出房屋構(gòu)造抗震的薄弱點(diǎn),加以分析和加強(qiáng),以此確定房屋構(gòu)造在抗震時的受力合理和科學(xué)性。
在地基要求一致的情形下,工程設(shè)計技術(shù)人員對建筑物實施抗震構(gòu)件的設(shè)計顯得極為重要。如果在設(shè)計過程中可以減少建筑結(jié)構(gòu)的墻體自重,那么便能夠更合理的提高建筑物的結(jié)構(gòu)層數(shù),從而進(jìn)一步的控制建筑成本,這樣效果在軟地基的狀況下就會比較突出。另外,建筑物的結(jié)構(gòu)質(zhì)量也會直接影響抗震的效果,因為一旦建筑的結(jié)構(gòu)層數(shù)過多,地震作用越明顯,地震作用可能帶來的損傷越嚴(yán)重。盡量減少這一現(xiàn)象,可以用輕質(zhì)材料來減輕控制結(jié)構(gòu)本身的重量,優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布。在進(jìn)行設(shè)計的過程中,要合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)自重與層數(shù)之間的關(guān)系,既保證建筑經(jīng)濟(jì)性,又要保證良好的抗震能力和結(jié)構(gòu)安全性。
在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須要對構(gòu)造抗震體系做出合理的選擇,這也是在建筑物構(gòu)造與抗震方案設(shè)計過程中,必須慎重考慮的問題。另外,建筑物構(gòu)件的抗震方法的選用能否具備相當(dāng)?shù)暮侠硇砸彩桥袛嘟ㄖ飿?gòu)件的安全與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。
(1)首先,在地震的災(zāi)害之中,要避免因為結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的破壞導(dǎo)致的整體建筑結(jié)構(gòu)失去抗震的能力。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,一個重要的設(shè)計原則是當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力和變形協(xié)調(diào)能力,且無明顯的薄弱部位,在地震發(fā)生的過程之中,可以良好的發(fā)揮抗震的性能。即使有部分的構(gòu)件退出了工作,剩下的構(gòu)件也可以承受荷載作用,防止整體結(jié)構(gòu)失去平衡、發(fā)生破壞。
(2)在建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)部,也就必須具有完整而具體的建筑結(jié)構(gòu)的簡圖,它也包括著正確和適當(dāng)?shù)牡卣鸬漠a(chǎn)生和傳遞的途徑。明確的傳力路徑,保證了地震作用下,構(gòu)件的有效連接和承載。同時,還應(yīng)使構(gòu)件的傳力盡可能往豎向方向發(fā)展,減少豎向不連續(xù)情況的出現(xiàn)。
(3)建筑的結(jié)構(gòu)體系要有合理的剛度和強(qiáng)度,同時,剛度布置合理,分布均勻。在抗震設(shè)計過程中,為了防止地震作用過程中局部的削弱和變形,對建筑物產(chǎn)生過大的影響。因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,要對結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng),采取一定的加強(qiáng)措施使該部位強(qiáng)度和剛度合理,使建筑整體剛度分布均勻,提高整體的抗震能力。
采取減少地震作用的方法可有效減輕地震災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)造成的負(fù)面影響。為嚴(yán)格控制地震災(zāi)害產(chǎn)生的能量,在建設(shè)土木工程結(jié)構(gòu)的過程中,還需認(rèn)真分析建筑物位移動作的影響因素,且在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中注重因素的合理預(yù)測與定量分析,以期在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中減弱地震震動產(chǎn)生的能量。同樣重要的是,發(fā)生地震時,為嚴(yán)格控制建筑物可能出現(xiàn)的破損和變形問題,需認(rèn)真分析和設(shè)計建筑底部位置的塑性變形,這種方法在地質(zhì)硬度較高的土木工程建設(shè)中具有十分顯著的優(yōu)勢。在設(shè)計過程中,工作人員應(yīng)將結(jié)構(gòu)間的關(guān)系及力傳導(dǎo)方向等進(jìn)行思考和分析,合理利用結(jié)構(gòu)間的協(xié)作關(guān)系,實現(xiàn)對地震能量的消減和把控,降低地震能量波集中傳導(dǎo)對局部建筑結(jié)構(gòu)帶來的影響和威脅,保證建筑的質(zhì)量。在力傳導(dǎo)分析中,要做好應(yīng)力均衡劃分的思考,避免局部應(yīng)力過大帶來的威脅,保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。
就所有的城市建筑物結(jié)構(gòu)來說,其主體的主要承載建筑材料一般都是建材,而建筑物本身的可塑性與強(qiáng)度又在整體建筑的抗震特性上發(fā)揮著重要的影響作用。正是基于此原因,在對整個城市建筑結(jié)構(gòu)實施抗震設(shè)計的過程中,建筑設(shè)計人員就必須充分考慮建材的正確選用。在具體選材時,還需要根據(jù)城市建筑所在地具體的地理特點(diǎn)、地形地貌、板塊活動中的各種情況等加以充分認(rèn)識,并以此為基礎(chǔ)來選用抗震性能符合城市實際建筑要求的建材,如此才能夠使整個城市建筑物結(jié)構(gòu)的抗震特性獲得有效保證。通常情況下,在城市中房屋結(jié)構(gòu)的建筑材料選用上,通常以低質(zhì)量、高強(qiáng)度的建材居多,并且還要保證建筑穩(wěn)定性和延展性都足夠好。
綜上所述,防震自然災(zāi)害是近年來在中國發(fā)生較多的自然災(zāi)害,其破壞性能極強(qiáng),嚴(yán)峻危及人類的自身健康,加強(qiáng)了房屋的防震能力并引發(fā)了各界的重視。目前,更有效的抗震設(shè)計方法尚有待繼續(xù)研究,以最大限度地增強(qiáng)建筑物抗震功能,才能夠盡可能地降低因地震災(zāi)難所造成的建筑損失。