文/李 淑 青島市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山東青島 266000
谷家想 青島國(guó)立設(shè)計(jì)有限公司 山東青島 266000
郭燕文 中瀚國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 山東青島 266000
由于我國(guó)地處太平洋板塊和亞歐大陸板塊交接處,板塊運(yùn)動(dòng)較為活躍,并且在生態(tài)環(huán)境不斷惡化的背景下,地震頻率和強(qiáng)度等級(jí)持續(xù)提高,建筑的穩(wěn)定性和抗震性越來(lái)越重要,抗震設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。應(yīng)充分意識(shí)到抗震設(shè)計(jì)的重要性,明確抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn),提高抗震設(shè)計(jì)的合理性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性,將各個(gè)方面的因素有效控制,把地震災(zāi)害的影響降至最低,為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供有力保障。
目前,我國(guó)因地震災(zāi)害造成的建筑物坍塌屢見(jiàn)不鮮,不僅人員傷亡嚴(yán)重,經(jīng)濟(jì)損失也不可估量,所以地震災(zāi)害的有效預(yù)防刻不容緩。建筑物作為人們生活、工作的重要場(chǎng)所,提高建筑物的抗震性能是切實(shí)可行的路徑,這就需要從優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)入手,提高建筑物的穩(wěn)定性,為建筑工程的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),建筑結(jié)構(gòu)工程中抗震設(shè)計(jì)的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
由于地震災(zāi)害頻發(fā),所以在建筑結(jié)構(gòu)工程中抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越受重視,也能顯著降低地震的破壞性。目前,較為常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是在建筑基礎(chǔ)和主體之間加設(shè)隔震層,也有設(shè)計(jì)人員在建筑頂端加設(shè)“反擺”來(lái)減小地震的沖擊力。“反擺”的原理是降低地震沖擊力的運(yùn)動(dòng)加速度,以反向位移的方式將地震的沖擊力有效減小。通過(guò)相關(guān)調(diào)查顯示,加設(shè)“反擺”可以將地震對(duì)建筑物的沖擊力降低65%左右,對(duì)建筑和人員起到了良好的防護(hù)作用。目前針對(duì)加設(shè)“反擺”的針對(duì)性研究越來(lái)越多,取得了良好的研究成果,并且在實(shí)際應(yīng)用中也起到了良好的保護(hù)作用。由此可見(jiàn),良好的抗震設(shè)計(jì)能夠?qū)⒌卣馂?zāi)害的破壞性有效降低,從而保證建筑物的穩(wěn)定性。
建筑物的剛度應(yīng)結(jié)合具體的情況科學(xué)設(shè)計(jì),目前,鋼筋混凝土在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用,顯著提升了建筑物的剛度,但通過(guò)在建筑物中加設(shè)鋼結(jié)構(gòu)也是一種有效的加固技術(shù),能夠進(jìn)一步提升建筑物的穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)工程加固技術(shù)的選擇應(yīng)充分考慮建筑物的實(shí)際功能,落實(shí)差異化的加固措施。其一是針對(duì)建筑物上層是鋼結(jié)構(gòu)、下層是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的情況,兩種體系結(jié)構(gòu)的形式不符合我國(guó)的抗震規(guī)范要求。其二是建筑的房蓋部分利用了鋼結(jié)構(gòu),建筑的主體部分仍是鋼筋混凝土,這就需要按照相關(guān)要求進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)[1]。
為了增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)整體抗震性能,在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的就是地基的穩(wěn)定性。應(yīng)盡可能選擇抗震性能良好的地基,保障在地震災(zāi)害中地基的變形相對(duì)微小,從而整體性的提高建筑物穩(wěn)定性。同時(shí),為了最大限度地開(kāi)發(fā)地基的潛力,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)同一性質(zhì)的地基上只能修建相同建筑結(jié)構(gòu)單元的建筑,在建筑物的設(shè)計(jì)和修建時(shí)應(yīng)秉持規(guī)范性、對(duì)稱性原則,將地震災(zāi)害中建筑物的形變量有效減小,從而避免建筑物扭曲的現(xiàn)象。為了將地震的沖擊力均衡作用在建筑物上,應(yīng)在建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中添加幾道抵抗線,保障建筑物結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分受力均勻,規(guī)避受力過(guò)于集中導(dǎo)致的形變問(wèn)題。除此之外,為了降低地震災(zāi)害對(duì)建筑物產(chǎn)生的沖擊影響,應(yīng)適當(dāng)減輕建筑結(jié)構(gòu)自身重量,降低地基承擔(dān)的壓力荷載。
目前我國(guó)建筑物結(jié)合功能可分為四類,其中甲、乙兩類建筑物的抗震性能最好,抗震設(shè)防烈度可以達(dá)到6-9度,并按照高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)抗震設(shè)施。而丙、丁類建筑物的抗震性能則是當(dāng)?shù)卣Y(jié)合地方實(shí)際情況制定,抗震設(shè)防烈度上有所差異,丙類建筑物按照地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行設(shè)計(jì),達(dá)到抵御罕遇地震的目標(biāo),丁類建筑物則是在地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求上可適當(dāng)降低抗震措施,但當(dāng)處于6 度時(shí)不能進(jìn)行降低。所以在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。
框架結(jié)構(gòu)中荷載力承載的主要部位是柱和梁,也是關(guān)乎建筑物穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)。柱和梁的特點(diǎn)是自身重量較輕、容易定性,所以能夠滿足建筑穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn),框架結(jié)構(gòu)也是目前普及率最高的結(jié)構(gòu)類型。建筑框架結(jié)構(gòu)的施工工藝簡(jiǎn)單、空間靈活性較高且建筑材料用量較少,所以備受建筑企業(yè)的青睞。但建筑框架結(jié)構(gòu)也有著一定的劣勢(shì),框架結(jié)構(gòu)變形形態(tài)通常以剪切型出現(xiàn),所以容易產(chǎn)生軟弱層和薄弱層,所以在施工過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注控制層側(cè)向剛度和承載力比,盡可能提升框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)工程中的優(yōu)勢(shì)是側(cè)向剛度大、整體穩(wěn)定性良好,較為適用于高層建筑,劣勢(shì)是結(jié)構(gòu)延展性較差,空間布置的靈活性不足。從目前的建筑物情況來(lái)看,剪力墻布置結(jié)構(gòu)相對(duì)規(guī)則且分布較為均勻。在進(jìn)行實(shí)際的抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能做到門(mén)窗洞口的上下交錯(cuò),針對(duì)建筑條件不允許的情況,應(yīng)做好洞口周圍的受力分析,并采取有效增強(qiáng)建筑強(qiáng)度的措施[2]。
建筑筒體結(jié)構(gòu)通常在超高層建筑中較為常見(jiàn),此種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)勢(shì)是受力均勻、剛度大且整體穩(wěn)定性較強(qiáng)。建筑筒體結(jié)構(gòu)根據(jù)外圍結(jié)構(gòu)的差異可以分為筒中筒和核心筒兩種,根據(jù)筒體數(shù)量的差異可以分為多筒、雙筒和單筒。建筑筒體結(jié)構(gòu)通過(guò)內(nèi)筒和外圍框架的作用力組成了抗震防線,顯著提升了建筑物的自身穩(wěn)定性。
我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,城市化進(jìn)程不斷加快,建筑工程的規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、數(shù)量不斷增加,并且均朝著高層和超高層的趨勢(shì)發(fā)展,如此一來(lái)人口密度大幅提升,地震災(zāi)害的影響力也進(jìn)一步提升。因此,建筑結(jié)構(gòu)工程中的抗震設(shè)計(jì)代表的意義越來(lái)越重大,必須要將相關(guān)的抗震問(wèn)題有效解決,一方面提升建筑物對(duì)地震災(zāi)害的防御能力,保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全,另一方面則是延長(zhǎng)建筑物使用壽命。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)遵循以下三個(gè)方面的原則。
對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)而言,應(yīng)秉持因地制宜的理念,充分考慮不同地區(qū)的地質(zhì)條件、建筑物高度和類型等因素,保障經(jīng)濟(jì)性的前提下提高抗震性性能。針對(duì)地震災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)而言,在建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能多加幾道抗震防線。例如,可以有效應(yīng)用框架剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻的優(yōu)勢(shì)在于側(cè)向剛度較強(qiáng),在第一道防線中有效應(yīng)用能夠起到良好的卸力作用,從而削弱地震造成的沖擊。目前來(lái)看,建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)中核心筒結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為普遍,大幅降低了房屋倒塌的概率,也是抗震設(shè)計(jì)的重中之重。
建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)整體性的工程,所以在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)必須立足于整體視角,對(duì)建筑物的承載性能、穩(wěn)定性、剛度、延性等綜合考慮,精確計(jì)算后按照建筑物的整體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。例如,針對(duì)強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的連接處應(yīng)做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。除此之外,由于不同建筑物類型的差異性較強(qiáng),所以抗震設(shè)計(jì)不能過(guò)于固化,而是要基于建筑物特點(diǎn)、施工要求進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。
建筑結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)合理把握建筑彈性。建筑彈性不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致建筑物承受沖擊的能力較差,容易在地震災(zāi)害中出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象,而建筑彈性超標(biāo),也會(huì)容易導(dǎo)致建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微形變,長(zhǎng)此以往會(huì)影響建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而影響建筑物的安全使用。建筑彈性是抗震設(shè)計(jì)中不可忽視的重要因素,必須要確保彈性處在合理的范圍內(nèi),保障建筑自身質(zhì)量的前提下盡可能減少外力作用的影響[3]。
地震災(zāi)害的破壞性較強(qiáng),一旦發(fā)生會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊力,同時(shí)建筑物的使用功能正處于不斷完善的階段,所以建筑物的抗震性能要求也發(fā)生了較大的變化。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮建筑物相關(guān)的一系列因素,如建筑場(chǎng)地、抗震防線設(shè)計(jì)等,使抗震設(shè)計(jì)最大限度地滿足建筑物的使用要求,并且抗震設(shè)計(jì)也要具備一定的前瞻性,結(jié)合建筑物未來(lái)的使用功能變化選擇相對(duì)應(yīng)的抗震性能強(qiáng)化方式,如隔震加固法等,以抗震方法的科學(xué)使用提高建筑物的抗震性能,切實(shí)滿足建筑物的使用需求。
根據(jù)對(duì)我國(guó)地震災(zāi)害的調(diào)研可知,結(jié)合地震烈度和地震動(dòng)參數(shù)可以劃分為多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震三種類型,按照50年為期限,多遇地震烈度超越概率為63%,設(shè)防地震烈度超越概率為10%,罕遇地震烈度超越概率為2%—3%,按照重現(xiàn)期可劃分為50年、475年以及1600-2400年的地震。我國(guó)建筑物的抗震等級(jí)應(yīng)根據(jù)地區(qū)情況差異進(jìn)行針對(duì)性設(shè)定,部分建筑工程抗震設(shè)計(jì)專家表示,應(yīng)適當(dāng)提高建筑物的抗震等級(jí),并做好抗震設(shè)計(jì)的嚴(yán)格檢查,保障抗震設(shè)計(jì)在實(shí)際的建筑工程中充分落實(shí),提升建筑物的整體抗震性能,為人們營(yíng)造安全穩(wěn)定的生活環(huán)境[4]。
針對(duì)地震頻發(fā)地區(qū)而言,應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)建筑材料,確保建筑材料具備良好的剛度、強(qiáng)度以及延展性,從而有效對(duì)抗地震災(zāi)害。根據(jù)建筑抗震效果的相關(guān)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn),磚瓦類型的建筑物抗震性能較差,箱體式結(jié)構(gòu)抗震性能良好,所以磚瓦結(jié)構(gòu)的建筑物不斷減少,箱體式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。對(duì)于建筑材料的選擇來(lái)說(shuō),一方面要考慮好適用性和經(jīng)濟(jì)學(xué),滿足建筑工程的功能需求,另一方面則是滿足建筑抗震的標(biāo)準(zhǔn)要求。在建筑物的抗震設(shè)計(jì)時(shí),可以通過(guò)在建筑物底部鋪設(shè)黏土、砂石的方式來(lái)吸收地震災(zāi)害的沖擊力。也可以對(duì)建筑物的地基進(jìn)行改造,合理應(yīng)用瀝青材料,提高建筑物的自身穩(wěn)定性。此外,在建筑材料的選擇時(shí)應(yīng)盡可能選擇質(zhì)量輕的材料,減少建筑物本身承受的荷載力,從而保證抗震性能。
針對(duì)建筑物的抗震設(shè)計(jì)而言,提升建筑物剛度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,通過(guò)合理設(shè)計(jì)柱、梁、墻,并選擇性能良好的建筑材料,如此才能利用支撐性結(jié)構(gòu)有效消耗地震能量,提高建筑物的抗震性能。在進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)確保建筑物在地震災(zāi)害中處于非彈性狀態(tài),充分結(jié)合建筑物的抗震設(shè)防能力,將承載力和建筑物結(jié)構(gòu)作為媒介,科學(xué)設(shè)計(jì)建筑物結(jié)構(gòu),將建筑物中可能發(fā)生非彈性反應(yīng)的位置進(jìn)行合理預(yù)測(cè),隨后對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)化。最后,還應(yīng)該對(duì)建筑物的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善,通過(guò)對(duì)建筑物剛度的準(zhǔn)確計(jì)算,確保其抗震性能良好[5]。
建筑物結(jié)構(gòu)中不可避免的存在薄弱部位,而地震災(zāi)害中薄弱部位也常常是引起建筑物變形、倒塌的關(guān)鍵所在,所以應(yīng)對(duì)薄弱部位重點(diǎn)設(shè)防。建筑物本身具備一定的變形能力,一旦發(fā)生地震災(zāi)害,薄弱部位容易發(fā)生位移,從而影響建筑物的穩(wěn)定性。所以,在進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)明確好建筑物的各個(gè)薄弱部位,并通過(guò)科學(xué)的抗震設(shè)計(jì)提高薄弱部位的抗震性能。此外,隨著時(shí)間的推移,建筑物整體抗震能力逐漸下降,這就要求在建筑物抗震設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮建筑物的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)和劣勢(shì)點(diǎn),通過(guò)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集與分析,明確具體的荷載情況,針對(duì)薄弱部位的問(wèn)題及時(shí)解決,避免建筑物抗震性能受到影響。
在進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能提升支柱的橫截面積,從而減小支柱的軸壓比,使支柱的受力面積大幅提升,避免鋼筋因縱向受力過(guò)大而出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象,保持建筑物的抗震性能。建筑物中的支柱結(jié)構(gòu)有著強(qiáng)度高、剛度高的特點(diǎn),而這也整體性降低了建筑的延展性,一旦地震災(zāi)害發(fā)生,建筑吸收和消耗的能量都極為有限,這就加大了建筑結(jié)構(gòu)破壞的可能性。因此,為了降低地震災(zāi)害中建筑結(jié)構(gòu)的損壞程度,可以在建筑結(jié)構(gòu)中增加弱梁,與支柱形成良好的協(xié)調(diào)作用,彌補(bǔ)延展性不足的缺陷,并且通過(guò)適當(dāng)增大支柱的軸壓比,即可有效分散地震災(zāi)害中的承載力。具體來(lái)說(shuō),高層建筑的底層支柱長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)控制在4以內(nèi),短柱的剪跨比也應(yīng)控制在2 以內(nèi)。
我國(guó)的各個(gè)地區(qū)地震頻率、強(qiáng)度均有著不同程度的差異,所以抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合地區(qū)實(shí)際情況合理設(shè)定,針對(duì)地震頻發(fā)地區(qū),適當(dāng)提高抗震標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)地震罕見(jiàn)發(fā)生的地區(qū),則是要秉持小震不壞、中震可修、大震不倒的原則設(shè)定合理抗震標(biāo)準(zhǔn)。此外,不同的建筑結(jié)構(gòu)也應(yīng)結(jié)合針對(duì)性的要求設(shè)計(jì)差異化的抗震標(biāo)準(zhǔn),例如框架結(jié)構(gòu)和抗震墻結(jié)構(gòu)應(yīng)采取差異化的抗震標(biāo)準(zhǔn),如此才能確保建筑抗震性能良好。針對(duì)地震頻發(fā)地區(qū),可將消震法和隔震法有機(jī)結(jié)合,從而達(dá)到滿足相應(yīng)的抗震要求。
進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)工程抗震設(shè)計(jì)時(shí),建筑物的整體布局和整體造型也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。因此,在進(jìn)行建筑物的設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)避免過(guò)度追求美觀性的設(shè)計(jì),而是要盡可能設(shè)計(jì)出規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的形狀,如方形、矩形等,消除因形狀因素導(dǎo)致的受力不均,以對(duì)稱、規(guī)則的圖形設(shè)計(jì)方案保障建筑物內(nèi)部受力平衡,切實(shí)有效地增強(qiáng)建筑物的抗震性能。
建筑結(jié)構(gòu)受力均勻、承載力良好是建筑物投入使用的先決條件。因此在進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)體現(xiàn)出建筑物的功能性,完善平面抗震設(shè)計(jì)。如果建筑物的設(shè)計(jì)不平衡,一旦發(fā)生地震災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致建筑物各個(gè)部位受力情況不同,損壞程度也存在一定差異,而這也嚴(yán)重破壞了建筑物的墻體結(jié)構(gòu),影響了建筑物的抗震性能。因此,在進(jìn)行建筑物的平面設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將所有內(nèi)容充分考慮進(jìn)來(lái),通過(guò)精確化的數(shù)據(jù)計(jì)算,保障建筑物的各個(gè)房間、門(mén)窗位置等與建筑圖紙精確匹配,即便出現(xiàn)問(wèn)題也能及時(shí)解決。在進(jìn)行建筑平面設(shè)計(jì)的優(yōu)化時(shí),可以將各個(gè)空間有機(jī)融合,將豎向建筑轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬖O(shè)計(jì),有效提高建筑物的整體剛度和抗震性能。
地震災(zāi)害是對(duì)建筑物整體結(jié)構(gòu)的沖擊,所以應(yīng)提高各個(gè)重要組成部分的抗震性能。如建筑物的樓梯間,發(fā)揮著重要的通行作用,在地震災(zāi)害中承擔(dān)著疏散人群的重要任務(wù),所以樓梯間的穩(wěn)定性至關(guān)重要,在進(jìn)行樓梯間設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能將其設(shè)計(jì)在建筑物的中間位置,保障其固有功能的充分發(fā)揮,為人群疏散提供十足的便利。同時(shí),樓梯間是豎向結(jié)構(gòu),通過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì)提高樓梯間的穩(wěn)定性,能夠整體性地提升建筑物抗震性能。在進(jìn)行樓梯間的抗震設(shè)計(jì)時(shí),要考慮樓梯間的使用特點(diǎn),針對(duì)樓梯間的抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題充分解決,提高墻柱、梯板等核心結(jié)構(gòu)的抗震性能,保障其剛度良好,以抵御地震災(zāi)害的沖擊。
綜上所述,在地震災(zāi)害造成的損失越來(lái)越嚴(yán)重的背景下,提高建筑結(jié)構(gòu)工程的抗震性能至關(guān)重要。因此在建筑結(jié)構(gòu)工程中,應(yīng)給予抗震設(shè)計(jì)充分的重視,對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加固技術(shù)充分研究,考慮好多方面因素后,結(jié)合實(shí)際情況做好平面設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)以及重要組成部分設(shè)計(jì),把控好抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn),保證建筑物抗震等級(jí)符合實(shí)際建設(shè)要求??拐鹪O(shè)計(jì)必須始終滿足建筑物抗震性能的標(biāo)準(zhǔn)要求,貫徹落實(shí)因地制宜的理念,做好科學(xué)設(shè)計(jì),最大限度地提升建筑物的抗震性能。