論工業(yè)與民用建筑結構抗震設計的相關研究

朱 明

(中國建筑西南設計研究院有限公司,四川成都610042)

地震是最常見的自然災害之一，不管是2008年汶川大地震還是2013年的蘆山地震，都在很大程度上影響了社會經濟的發(fā)展、人們的安定與生存安全。因此，最有效的方法就是做好抗震設計。在實際工作中，因為工民建抗震設計不夠完善，最終導致房屋造成很大的損害。因此，當我們盡力降低地震災害影響時，必須根據(jù)抗震要求，結合建筑設計標準，遵守制度，利用科學的結構形式，來確保建筑結構設計的質量及建筑的安全。

1 工民建結構抗震的現(xiàn)狀和技術

在我們傳統(tǒng)的建筑抗震中，一般是通過給建筑物體結構增加抵抗力，在建筑物體結構薄弱的地方或容易被地震破壞的地方加強或加厚材料的方法來抗震。這種方法比較簡單，操作性方便，但投入多，經濟性差，對建筑物體整體而言，抗震效果不好。還有一種比較常用的減震方法,采用橡膠隔震墊對建筑物體進行加固。這種方法在施工中必須將已有的結構在底部階段，或在其中間安裝上橡膠隔震墊，雖然比上一種方法效果好，但是在實際的施工中帶來了麻煩和困難，無法得到廣泛應用或推廣。還有一種方法就是創(chuàng)建消能減震體系，由主體結構和裝有消能器的消能配件組成，當配件(構件)或節(jié)點發(fā)生滑動或平移時，消能器就可以產生強的阻力來吸收地震的能量，達到減震的效果，提高整體的抗震能力。這類方法可在高柔結構中適用，能增強結構的剛度，縮短位移。這些方法都能夠達到減震的作用，但是當我們從事結構設計時，必須考慮到概念設計，依靠概念設計達到全局抗震的目的。

2 建筑結構防震技術優(yōu)點缺點

地震從開始到振動，持續(xù)時間只有十幾秒至幾十秒。針對常用的建筑結構防震技術而言，包括兩個方面：①剛性抗震、②柔性抗震。剛性抗震的方法就是我們傳統(tǒng)的結構抗震設計方法，通過結構的強度設計，提高建筑的抗破壞能力，通過結構的剛度設計，提高建筑的抗變形能力，通過結構的塑形設計，提高建筑的延性和防倒塌能力。而柔性抗震法，這種方法是科技人員研究出來的，是以隔震技術和消能減震技術來實現(xiàn)。下面簡單介紹一下這兩種抗震技術的優(yōu)點缺點：目前世界各地多數(shù)采用剛性抗震，其結構以鋼筋混凝土結構為主。主要靠加大抗側力構件，如梁、柱的截面。增大配筋，提高混凝土標號等來提高建筑物自身的剛度和延性，達到抗震的目的。優(yōu)點：經過長期的發(fā)展，有一套比較成熟的理論，實踐經驗豐富，技術比較成熟。缺點：當增大建筑物剛度的同時，也會引起地震加速度增大，所遭受地震效應更強；建筑結構自身剛度無論多大，當遇到強烈地震作用時，抵抗能力卻有限。在柔性抗震法中運用的隔震技術，在20世紀90年代開始使用，依托國家“八五”科技攻關項目，完成隔震技術從產品研制、設計方法到施工技術的研究。當我們在使用隔震技術的方案時需要注意：該技術對底層和多層建筑效果比較明顯；在硬土場地比較適合搭建隔震建筑。因為當?shù)卣饡r，如果是隔震建筑的話，其變形主要集中在隔震層，隔震一般可使上部結構和水平地震加速反應降低60 %～70 %左右，從而消除或有效減輕結構的地震損壞。還有一種消能減震技術，它是通過附加阻尼或阻尼器的非線性滯變耗能減小結構的地震反應，從而保護主體結構不發(fā)生損傷或小的地震損傷。所以消能減震技術的優(yōu)點是比較多的：消能部件不承受結構重力；消能減震技術不受結構類型限制，適用于延性結構；消能減震技術可以有效減少結構在風作用下位移和加速度響應。由于這種新技術還處在理論、發(fā)展和完善階段，某些技術的安全性和實用性還需要進一步加強；雖然設計人員已經認識或認同此項技術，但是未能熟練掌握和運用，同時采用消能減震或隔震技術來建設房屋或建筑物，必然會增加建設投資，這些即為不足。

3 概念設計

在討論概念設計之前，不得不提的一種建筑結構：鋼結構(鋼筋混凝土結構)，在通常情況下，它的抗震能力是最強的，自身柔韌性好，但是這種結構需要大量的鋼材，所以成本較高，容易被腐蝕，不符合建筑設計的耐久性要求。

所謂概念設計就是說在結構設計方案中，運用以前的結構設計中已知知識和經驗，更進一步地解決一些重要問題，如：建筑結構的形狀、體系或建筑物構件的延性等問題。概念設計需要在結構設計的基礎之上進行宏觀性的綜合考慮來減少地震對建筑物的損害性。概念設計主要體現(xiàn)在方案設計階段，此時需要結構工程師運用結構設計的概念，將設計知識和設計經驗結合實際，設計一種安全可靠低成本的設計方案。也可在設計的時候運用概念性估算法，在最初設計階段高效的多種設計方案中選擇最適合的方案。采用這種概念性估算法不但定性準確，而且經濟可行，省掉了很多麻煩的步驟。根據(jù)最新的《建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011-2001)》(以下簡稱規(guī)定)的規(guī)定中，有一些沒有具體的規(guī)定，如中震可修的設防目標等，但是在我們實際的抗震設計中，不能完全按照規(guī)范，應該發(fā)展和繼承的去應用規(guī)范。發(fā)展到什么程度這個需要看設計師對建筑物的結構與分體之間的力學關系了解透徹程度。我們必須了解結構設計并不是簡單的、按照規(guī)范去依靠計算機設計，設計結果勢必滿足不了要求。我們在建筑結構設計中，必須遵循規(guī)范，結合實際情況，加上設計師的經驗，把概念設計融入到設計規(guī)范中?！兑?guī)定》要求在建筑物的內部設計大地震動反應觀測系統(tǒng)，還需要在設計時注意組織結構與地面的共振問題。因此，當從事概念設計是要考慮到場地的條件，地面的穩(wěn)定性，材料的選擇，抗震體系結構的選取等。使設計結果在組織結構上滿足強度大、剛度好，具有延性而且節(jié)能的設計結果。

4 展望建筑結構抗震設計的前景

結構抗震體系由傳統(tǒng)的“硬抗”為主的抗震體系走向“柔抗”為主的結構減震控制體系發(fā)展。而這種“柔抗”新概念，它通過調整結構動力特性、隔震、消能或控制來達到抗震的目的，在未來的工民建中結構抗震的思路不斷開闊，有效促進工民建建筑的健康發(fā)展。

我國是一個人口密集的“大家”，地震的發(fā)生，對人民生命財產造成極大的損失，增強建筑物的抗震能力就成了我們的研究內容。經過工民建中多年的抗震探索和研究，總結設計經驗引入了概念設計的新理念。這種設計理念從宏觀角度對建筑抗震結構進行設計，在某些方面彌補了以后設計思路對抗震結構思考的不足之處，也為未來工民建結構抗震設計開辟了新道路。

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