論述工民建結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及發(fā)展前景

王盛勇

【摘 要】工民建結(jié)構(gòu)抗震一直是建筑工程設(shè)計中的重要課題，我國建筑工作者在總結(jié)歷次地震災(zāi)害中的經(jīng)驗(yàn)中逐漸的認(rèn)識到，對建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計而言，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計比結(jié)構(gòu)計算設(shè)計更重要。結(jié)構(gòu)計算設(shè)計單純的依靠數(shù)學(xué)和力學(xué)的計算，這樣很難保證建筑物在遇到地震時是否能夠有足夠的抗震能力，概念設(shè)計在長時間的實(shí)際工程設(shè)計中，發(fā)揮了重要的作用，尤其是在提高結(jié)構(gòu)抗震能力的方面尤為突出。本文就此作出了論述。

【關(guān)鍵詞】工民建；結(jié)構(gòu)抗震；結(jié)構(gòu)設(shè)計；發(fā)展前景

0.前言

工民建結(jié)構(gòu)抗震一直是建筑工程設(shè)計中的重要課題，在抗震的研究中結(jié)構(gòu)抗震和概念設(shè)計的提出，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計開拓了新的思路。在抗震設(shè)計思想指導(dǎo)下從整體設(shè)計上增加建筑結(jié)構(gòu)抗震的性能，增加建筑的安全性。經(jīng)過工民建中多年的抗震探索和研究，本文主要把總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)引入了概念設(shè)計的設(shè)計新理念。這種設(shè)計理念從宏觀角度對建筑抗震組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在某些方面彌補(bǔ)了以往設(shè)計想法對抗震組織結(jié)構(gòu)思考的不足之處，為今后的工民建組織結(jié)構(gòu)抗震規(guī)劃了一條新的設(shè)計方案。

1.概念設(shè)計的重要性分析

地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震，50 年出現(xiàn)的概率大約為 63%，重現(xiàn)期為 50 年。中震是指 50 年出現(xiàn)的概率約為10%，重現(xiàn)期為 475 年。而大震指的是罕遇地震，50 年出現(xiàn)的概率為 2%～3%，重現(xiàn)期為 1641～2475 年。這個階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對延性就會提出相應(yīng)的要求，而延性就要靠精心設(shè)計的細(xì)部構(gòu)造措施來保證。當(dāng)大震來臨的時候，結(jié)構(gòu)的非線性變形非常大，也可能發(fā)生不可修復(fù)的破壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)就需要通過計算它的彈塑性變形來保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。

（1）重視概念設(shè)計還體現(xiàn)在整體規(guī)劃設(shè)計階段。初步設(shè)計過程是不能借助計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，這就需要組織結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用組織結(jié)構(gòu)概念，選擇最為可靠、經(jīng)濟(jì)的組織結(jié)構(gòu)整體規(guī)劃。所以，需要工程師不斷地豐富自己的設(shè)計理念，深入了解各類組織結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運(yùn)用它們。運(yùn)用概念性近似估算方法，可以在設(shè)計整體規(guī)劃階段迅速、有效果的對組織結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇所得整體規(guī)劃往往概念清晰定性準(zhǔn)確，避免后期設(shè)計階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。同時，這也是判斷計算機(jī)內(nèi)力、分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。計算軟件的選擇和使用不當(dāng)，也會造成組織結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，甚至影響到建筑物本身的安全性。應(yīng)用概念設(shè)計的思想，可以避免此類情況的發(fā)生。

（2）新抗震規(guī)范對具體問題的規(guī)定不夠清晰。新抗震規(guī)范以可靠度理論為基礎(chǔ)，吸收了延性設(shè)計的思想，但對于一些具體問題，例如中震可修的設(shè)防目標(biāo)等，規(guī)定相當(dāng)模糊。所以，我們不能盲目地照搬照抄規(guī)范，應(yīng)該把規(guī)范作為一種指南和參考，并在實(shí)際工程應(yīng)用中做出正確的選擇，這就要求我們對整體組織結(jié)構(gòu)體系與各基本分體系之間的力學(xué)關(guān)系有透徹的認(rèn)識，把概念設(shè)計應(yīng)用到實(shí)際工作中去。一直以來，設(shè)計師認(rèn)為組織結(jié)構(gòu)設(shè)計很簡單，只需遵循規(guī)范和手冊，等建筑師完成建筑設(shè)計后，使用計算機(jī)就可以完成組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，但這不能充分地運(yùn)用組織結(jié)構(gòu)設(shè)計者的知識和技能，而且還會與建筑設(shè)計整體規(guī)劃產(chǎn)生分歧和矛盾，所以我們應(yīng)考慮在組織結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何運(yùn)用概念設(shè)計，舉個例子組織結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計與抗震設(shè)計，抗震設(shè)計要求能消減外荷載，吸收或轉(zhuǎn)換震動的能量；而抗風(fēng)設(shè)計則要求組織結(jié)構(gòu)在風(fēng)的作用下動力相對而言應(yīng)該小點(diǎn)，剛度較大這一矛盾必然影響組織結(jié)構(gòu)體系的抗風(fēng)和抗震性能。為了彌補(bǔ)這一不足，需要合理的概念設(shè)計與延性構(gòu)造措施來加以保證。

（3）建筑組織結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，存在著許多模糊而且不確定的因素。例如，大地震動作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)而且循環(huán)往復(fù)的荷載，建筑物的大地震動破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，要準(zhǔn)確計算或預(yù)測建筑物所遭遇的大地震動特性和參數(shù)，還難以做到。風(fēng)荷載的脈動性與渦流作用情況也是如此。因?yàn)榻ㄖ锸艿降拇蟮卣饎幼饔秒y以確定，所以適用、安全、經(jīng)濟(jì)的組織結(jié)構(gòu)體系必須注重概念設(shè)計。

（4）新抗震規(guī)范提出了在建筑物內(nèi)設(shè)置大地震動反應(yīng)觀測系統(tǒng)的要求，并提出了組織結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的動力特性（周期和振型）相近的抗震概念所以在組織結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中還應(yīng)該注意組織結(jié)構(gòu)與場地的共振問題。

2.概念設(shè)計的應(yīng)用分析研究

組織結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的目的是使組織結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性以及節(jié)能等方面取得最佳，從而滿足小震不壞，中震可修，“大震不倒”的要求。在當(dāng)前的科技水平和經(jīng)濟(jì)條件下，為了保證組織結(jié)構(gòu)具有可靠的抗震性能，概念設(shè)計應(yīng)充分考慮以下因素：場地條件和場地土的穩(wěn)定性，建立組織結(jié)構(gòu)計算模型，抗震組織結(jié)構(gòu)體系的選取，材料效用，溫度作用以及組織結(jié)構(gòu)的空間作用等。

（1）組織結(jié)構(gòu)薄弱部位抗震構(gòu)造措施的理解和應(yīng)用組織結(jié)構(gòu)薄弱部位的處理，如建筑平面外墻轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)角窗，限制了角部組織結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)置，如果采用概念設(shè)計，解決這一問題的方法是 2 豎向構(gòu)件間應(yīng)設(shè)厚板、暗梁等可靠拉結(jié)。再如，由于節(jié)點(diǎn)部位的重要性，所以引入抗裂性的概念，以此來比較梁柱節(jié)點(diǎn)偏心所引起的節(jié)點(diǎn)性能的變化。建議在大地震動區(qū)，不宜采取梁柱偏心過大的節(jié)點(diǎn)形式，而且構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的承載力不應(yīng)于其連接構(gòu)件的承載力。

（2）現(xiàn)行抗震計算模型的理解和應(yīng)用新抗震規(guī)范規(guī)定一般情況下，應(yīng)允許在建筑組織結(jié)構(gòu)的 2 個主軸方向分別計算水平大地震動作用并進(jìn)行抗震驗(yàn)算，各方向的水平大地震動作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。而實(shí)際組織結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的主要原因則是計算模型問題。即：僅僅對相互正交的 2 個主軸方向進(jìn)行內(nèi)力分析和強(qiáng)度設(shè)計，不能真實(shí)反映組織結(jié)構(gòu)的空間作用。所以，應(yīng)用概念設(shè)計的原理，結(jié)合大量地震帶來的危害和試驗(yàn)研究成果，所得出的結(jié)論是：構(gòu)件的最不利受力狀態(tài)隨著構(gòu)件和大地震動作用方向而變化。當(dāng)大地震動作用方向與組織結(jié)構(gòu)主軸方向一致時，梁處于最不利受力狀態(tài)；當(dāng)大地震動作用與組織結(jié)構(gòu)的主軸方向呈 45°時，大多數(shù)柱處于最不利受力狀態(tài)。

3.建筑組織結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的前景分析

組織結(jié)構(gòu)抗震體系由傳統(tǒng)的以“硬抗”為主的抗震體系向以“柔抗”為主的組織結(jié)構(gòu)減震控制體系發(fā)展。組織結(jié)構(gòu)減震體系采用的是以柔克剛的新概念，它通過調(diào)整組織結(jié)構(gòu)動力特性、隔震、減能或控制來達(dá)到抗震的目的，在未來的工民建中組織結(jié)構(gòu)抗震的想法將向著減輕危害的方向發(fā)展。

4.結(jié)語

近幾年來，地震頻發(fā)，而我們也能看到很多的建筑在地震中非常容易的倒塌，對人民群眾的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生了非常大的危害，相關(guān)的工民建結(jié)構(gòu)的設(shè)計者，一定要認(rèn)識到現(xiàn)時工程設(shè)計過程中存在的問題，對比各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢，并采取一定的措施，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論經(jīng)歷了靜力設(shè)計、反應(yīng)譜設(shè)計、動力設(shè)計和減震控制設(shè)計四個階段，當(dāng)前國內(nèi)外抗震設(shè)計的發(fā)展趨勢是根據(jù)對結(jié)構(gòu)在不同超越概率水平下的地震作用下的性能或變形要求進(jìn)行設(shè)計，結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析成為抗震設(shè)計的一個必要的組成部分，抗震設(shè)計進(jìn)入了一個真正意義上的動力時代。從而保護(hù)好人民群眾的生命財產(chǎn)安全問題。

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