葛雄宗

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣西南寧 530011）

淺談當(dāng)代房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

葛雄宗

（華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 廣西南寧 530011）

近年來(lái)我國(guó)地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)引起了人民和相關(guān)部門(mén)的廣泛關(guān)注。地震作為一種無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的突發(fā)毀滅性自然災(zāi)害對(duì)房屋危害極為嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。所以大力加強(qiáng)房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，提高建筑整體抗震性能具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

房屋建筑；建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；多道抗震防線；延性設(shè)計(jì)

1 前言

當(dāng)代房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)基于抗震概念設(shè)計(jì)，結(jié)合科學(xué)的抗震模擬計(jì)算措施和抗震構(gòu)造措施，把控抗震設(shè)計(jì)的質(zhì)量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，并逐點(diǎn)落實(shí)于實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而使得結(jié)構(gòu)具備優(yōu)良的抗震性能和足夠安全的可靠度；應(yīng)立足抗震概念設(shè)計(jì)及國(guó)家規(guī)范，并于實(shí)際設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確且靈活地運(yùn)用它們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)主要部位、關(guān)鍵部位及短板進(jìn)行針對(duì)設(shè)計(jì)，在未落實(shí)施工的設(shè)計(jì)階段就消除建筑抗震薄弱環(huán)節(jié)的隱患，提高建筑整體的抗震性能。本文結(jié)合一些廣西的實(shí)際情況，從場(chǎng)地選擇與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)選型、多道抗震防線、剛度和強(qiáng)度匹配、結(jié)構(gòu)的延性等幾個(gè)主要方面，初步探討了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

2 廣西抗震設(shè)防概述

廣西位于亞歐板塊內(nèi)部華南地震帶上，處于內(nèi)陸比較弱的活動(dòng)地震帶，運(yùn)動(dòng)水平較低，其運(yùn)動(dòng)速度僅為2mm/年。按照國(guó)家抗震設(shè)防的烈度區(qū)劃圖，廣西除少數(shù)市縣處于抗震設(shè)防Ⅶ度區(qū)外，大部地區(qū)為抗震設(shè)防Ⅵ度區(qū)域，也有少部分地區(qū)為非抗震設(shè)防區(qū)域。結(jié)合《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，廣西的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類房屋的必須要按地區(qū)相應(yīng)的設(shè)防烈度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，而對(duì)于非抗震設(shè)防地區(qū)（如廣西來(lái)賓市），有相應(yīng)的地方文件作抗震設(shè)防的要求。

3 場(chǎng)地選擇與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

建筑場(chǎng)地應(yīng)選擇對(duì)建筑抗震有利的地段，避開(kāi)可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流及地表錯(cuò)位等的抗震不利地段?？拐鹩欣麍?chǎng)地是指開(kāi)闊平坦地的堅(jiān)硬場(chǎng)地和密實(shí)均勻的中硬場(chǎng)地，一般即對(duì)應(yīng)勘察報(bào)告的Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地場(chǎng)。場(chǎng)地選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況作決定，首先選擇抗震有利的場(chǎng)地，必須在不利的場(chǎng)地建設(shè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行針對(duì)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，禁止在抗震危險(xiǎn)場(chǎng)地建造抗震建筑。廣西為山地丘陵性盆地地貌，基本特征是：盆地大小相雜，山系多呈弧形且層層相套，丘陵、平地及喀斯特地貌錯(cuò)綜廣布。廣西的工程場(chǎng)地多為Ⅱ類場(chǎng)地，但由于區(qū)域地貌的特殊性，尤其容易出現(xiàn)場(chǎng)地及土層分布不均勻，巖石和土甚至軟弱地基交叉的場(chǎng)地情況，設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)對(duì)場(chǎng)地及基礎(chǔ)持力層做出正確的選擇，從根基上保證結(jié)構(gòu)的牢固。廣西常采取的基礎(chǔ)類型多為天然基礎(chǔ)（獨(dú)立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)）及樁基礎(chǔ)（大直徑灌注樁、預(yù)制樁）。基于廣西地貌容易出現(xiàn)巖石和土層分布不均、持力層埋深不同的復(fù)雜場(chǎng)地，工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意同一結(jié)構(gòu)單元避免部分采用天然地基部分采用樁基的形式，且同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)避免設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上；當(dāng)?shù)鼗鶠榭拐鸩焕鼗鶗r(shí)，應(yīng)采取地基加固處理等措施，消除抗震不利條件。

4 結(jié)構(gòu)布置

建筑形體及平立面布置應(yīng)規(guī)則和對(duì)稱，這是抗震結(jié)構(gòu)布置最基本的原則。不規(guī)則的建筑方案應(yīng)按規(guī)定采取加強(qiáng)措施；特別不規(guī)則的建筑方案應(yīng)進(jìn)行專門(mén)研究和論證，采取特別的加強(qiáng)措施；不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑方案[1]。結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱及減少偏心，這決定了建筑結(jié)構(gòu)平面形狀方案應(yīng)以最簡(jiǎn)單規(guī)則的正方形、限制長(zhǎng)寬比的矩形、圓形為主，而結(jié)構(gòu)單體應(yīng)杜絕長(zhǎng)翼緣的L形、H形、Y形等凹凸不規(guī)則或樓板不連續(xù)的平面；結(jié)構(gòu)立面布置應(yīng)遵循沿結(jié)構(gòu)高度剛度均勻變化、結(jié)構(gòu)重心低置的原則，對(duì)應(yīng)的可采用矩形、梯形或三角形等均勻變化的幾何形狀，避免突然收進(jìn)或挑出的階梯形或頭重腳輕的倒梯形、倒三角形。當(dāng)建筑方案無(wú)法避免特別不規(guī)則的情況時(shí)，可根據(jù)實(shí)際建筑功能的需要和限制，結(jié)合抗震計(jì)算指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)造價(jià)指標(biāo)，于適當(dāng)部位設(shè)置防震縫將復(fù)雜的不規(guī)則結(jié)構(gòu)“切割”成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元的組合。廣西雖然處在抗震設(shè)防低烈度區(qū)域，結(jié)構(gòu)布置較高烈度設(shè)防區(qū)靈活，但仍應(yīng)遵循抗震結(jié)構(gòu)布置的基本原則，不應(yīng)在平面布置上追求凹凸不平的造型，更不應(yīng)在立面上追求大懸挑大收進(jìn)的體型。應(yīng)從建筑方案設(shè)計(jì)階段介入，盡量避免導(dǎo)致剛度和應(yīng)力突變的不利布置。

5 結(jié)構(gòu)選型

建筑結(jié)構(gòu)類型，決定房屋抗震性能的先天優(yōu)劣勢(shì)。我國(guó)由于歷史和經(jīng)濟(jì)原因，雖然傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到了發(fā)展和完善，但當(dāng)代抗震性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)類型在我國(guó)推廣較為落后，如鋼結(jié)構(gòu)及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)類型在我國(guó)發(fā)展也是較發(fā)達(dá)國(guó)家延遲，這種現(xiàn)象在廣西等西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)尤為顯著，這與地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平、設(shè)計(jì)水平及施工管理水平較低有關(guān)。排除地區(qū)條件限制，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)該結(jié)合建筑的重要性、高度、抗震設(shè)防烈度、地質(zhì)狀況、基礎(chǔ)類型、當(dāng)?shù)夭牧瞎┙o、投資經(jīng)濟(jì)性和施工技術(shù)水平等綜合優(yōu)選。我國(guó)主要的建筑結(jié)構(gòu)類型按照抗震性能優(yōu)劣排序：鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)。這只是結(jié)構(gòu)類型的先天性能優(yōu)劣順序，比對(duì)到具體的建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，其抗震綜合性能優(yōu)劣并不一定就按照此順序。例如2008年汶川地震，災(zāi)區(qū)部分抗震設(shè)計(jì)的磚混房屋未嚴(yán)重?fù)p毀，但是不少的框架結(jié)構(gòu)卻整體倒塌，該現(xiàn)象值得思考。結(jié)構(gòu)選型僅是抗震設(shè)計(jì)的單個(gè)方面，決定建筑綜合抗震能力的是本文所探討的眾方面；協(xié)調(diào)各方面，提高建筑綜合抗震性能，才是抗震設(shè)計(jì)的正確方向?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系還應(yīng)具有能科學(xué)模擬地震能量輸入的簡(jiǎn)化計(jì)算模型以及簡(jiǎn)單直接的地震作用傳遞途徑，應(yīng)避免傳力不清的體系，如部分框架承重部分磚混承重的“混合結(jié)構(gòu)”，又如裙樓梁板簡(jiǎn)支搭在主樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的“似連非連，要脫不脫”的主裙樓關(guān)系。應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)防連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)，避免地震時(shí)僅因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致連續(xù)倒塌，使整個(gè)體系喪失抗震能力或?qū)χ亓Φ某休d能力。另外，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有合理的強(qiáng)度和剛度分布。

6 多道抗震防線

多道抗震防線，產(chǎn)生于“多重設(shè)防，多重保障”這種樸素而科學(xué)的理念，確保了建筑結(jié)構(gòu)的抗震可靠度。多道抗震防線是指：多道抗震防線的建筑結(jié)構(gòu)，從體系層面上應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，從構(gòu)件層面上應(yīng)由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件聯(lián)合起來(lái)協(xié)同工作，并且具備合理的強(qiáng)度和延性。傳統(tǒng)的多道抗震防線體系有框架-抗震墻體系（由延性框架和抗震墻兩個(gè)系統(tǒng)組成）、雙肢或多肢抗震墻體系（由若干個(gè)單肢墻分系統(tǒng)組成）和框架體系（由框架梁和框架柱）三種。當(dāng)多道抗震防線設(shè)計(jì)為由若干個(gè)分體系組成時(shí)，原則上作為第一道抗震防線的抗側(cè)力構(gòu)件不應(yīng)是框架柱，而是不負(fù)擔(dān)或少負(fù)擔(dān)重力荷載的填充墻或豎向支撐，或是軸壓比較小的剪力墻、筒體等。因條件限制只能采用單一體系時(shí)，則應(yīng)該確保體系內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系能實(shí)現(xiàn)“多道防線”，如單一的框架結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)設(shè)計(jì)成以梁為第一道防線，柱為第二道防線的“強(qiáng)柱弱梁”型延性框架。

7 剛度和強(qiáng)度匹配

建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該有合理的剛度和強(qiáng)度分布。我國(guó)抗震設(shè)計(jì)概念的要求，其實(shí)都可以從建筑結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度來(lái)延伸。剛度和強(qiáng)度，矛盾又統(tǒng)一的兩者，一直都是抗震設(shè)計(jì)理論的焦點(diǎn)。當(dāng)前我國(guó)抗震設(shè)計(jì)以“抗”的方法為主，這就要求建筑結(jié)構(gòu)有較大的剛度和強(qiáng)度。剛度和強(qiáng)度存在微妙的關(guān)系：有時(shí)候?yàn)樽非筝^小的側(cè)移需要較大的剛度，卻導(dǎo)致地震作用加劇，地震作用加劇又要求建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加強(qiáng)，強(qiáng)度加強(qiáng)又會(huì)導(dǎo)致剛度增大，形成惡性循環(huán)；有時(shí)候結(jié)構(gòu)計(jì)算要求減小地震力作用，需要減小剛度，而剛度過(guò)度減小又往往會(huì)使結(jié)構(gòu)過(guò)柔而導(dǎo)致非強(qiáng)度層面的破壞。兩者間的矛盾決定了兩者之間需要一個(gè)平衡點(diǎn)去統(tǒng)一，即不能片面的追求剛度或片面的追求強(qiáng)度，應(yīng)通過(guò)調(diào)整構(gòu)布置使得剛度和強(qiáng)度匹配，采取措施保證結(jié)構(gòu)體系關(guān)鍵部位（如轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、短柱等）的延性性能，從而避免建筑結(jié)構(gòu)因剛度和強(qiáng)度不匹配造成延性差、應(yīng)力集中的薄弱短板。國(guó)家規(guī)范就建筑結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度分布的合理性有重要的規(guī)定，基本原則的就是確保結(jié)構(gòu)的規(guī)則和對(duì)稱，體現(xiàn)為幾個(gè)可控的、量化的關(guān)鍵比值：周期比，位移比，位移角，層剛度比，樓層受剪承載力比，剪重比，剛重比。這些指標(biāo)的控制應(yīng)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的整個(gè)過(guò)程。協(xié)調(diào)剛度和強(qiáng)度，其最終目的簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是使建筑結(jié)構(gòu)“剛?cè)岵?jì)”，擁有合適的側(cè)移剛度和盡可能長(zhǎng)的自振周期，及最小的水平地震作用；確保規(guī)則均勻，避免有害的扭轉(zhuǎn)和位移，經(jīng)濟(jì)性好、抗震性能高。

8 結(jié)構(gòu)的延性

延性是衡量結(jié)構(gòu)耗能能力的指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)劣的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)延性從整體到局部可分為四個(gè)層次，即：結(jié)構(gòu)總體延性、結(jié)構(gòu)樓層延性、構(gòu)件延性、桿件延性[2]?？拐鹧有栽O(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在對(duì)關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)上，因?yàn)楸ＷC了關(guān)鍵部位及關(guān)鍵構(gòu)件的延性，才可能使得結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)薄弱層、薄弱部位，從而保證結(jié)構(gòu)的總體延性和整體性。抗震延性設(shè)計(jì)的思路，歸結(jié)來(lái)說(shuō)是一種針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵和薄弱的進(jìn)行延性設(shè)計(jì)的方法。如針對(duì)豎向薄弱時(shí)，應(yīng)針對(duì)性地提高主樓與裙房頂面銜接的樓層構(gòu)件的延性，體型突變處樓層構(gòu)件延性的加強(qiáng)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系底部幾層的延性設(shè)計(jì)等；針對(duì)構(gòu)件及桿件時(shí)，可用“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”等來(lái)概括?？拐鹪O(shè)計(jì)的其他方面如結(jié)構(gòu)布置、剛度和強(qiáng)度的分布等也影響結(jié)構(gòu)的延性，某種意義上來(lái)說(shuō)也是為了保證結(jié)構(gòu)的延性。

9 結(jié)語(yǔ)

建筑抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?，結(jié)構(gòu)工程師必須立足于建筑抗震概念設(shè)計(jì)，落實(shí)我國(guó)當(dāng)前房屋抗震設(shè)計(jì)的各種要求和規(guī)定，并積極引進(jìn)、學(xué)習(xí)和使用當(dāng)代世界的先進(jìn)抗震理論和技術(shù)，從而設(shè)計(jì)出抗震性能優(yōu)異的房屋建筑結(jié)構(gòu)。

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]任福民.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計(jì)[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，01：27～30.

TU352.1+1

A

1673-0038（2015）01-0003-02

2014-12-10

葛雄宗（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。