抗震理念以及民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對策

王道任

山東省龍口市城鄉(xiāng)建設(shè)事務服務中心（265701）

0 前言

在我國民用建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震設(shè)計是建筑整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，同時也是我國民用建筑設(shè)計的難點。我國近幾年大中城市外來人口急劇增長，城市的用地緊張，高層民用住宅的需求量越來越大。對于高層住宅而言，抗震理念設(shè)計顯得更加重要。這就要求設(shè)計師根據(jù)各個結(jié)構(gòu)的特點，進行不同形式的抗震設(shè)計。

1 抗震理念的發(fā)展目標

我國自古以來就經(jīng)常發(fā)生地震災害。如我國在1976年發(fā)生的唐山大地震，就是亞歐板塊與環(huán)太平洋板塊地震帶擠壓而產(chǎn)生的，包括后來的四川省汶川大地震，這些地震深深影響著我國人民的心理。我國政府于是痛定思痛，重新調(diào)整了民用建筑的抗震理念。因為在我國的地震中，建筑物損壞、倒塌問題比較常見，究其原因都是由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計水平比較低而引起的。我國的抗震理念的發(fā)展目標在政府的支持下，逐漸朝著規(guī)范化、制度化發(fā)展。在現(xiàn)階段民用建筑的抗震設(shè)計中，目標是以民用建筑所在地區(qū)的地震大小作為參考，來改變建筑結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件來提升承載力，并且通過設(shè)計師的結(jié)構(gòu)計算來分析建筑物的彈性變形情況，經(jīng)過多重要素的分析，最后確定抗震設(shè)計的標準。我國對現(xiàn)階段的抗震理念有著明確要求，要保證民用建筑可以抵抗第三水準的地震，從而最大程度避免地震對建筑穩(wěn)定性構(gòu)成負面影響[1]。

2 民用建筑的結(jié)構(gòu)特征

2.1 磚木結(jié)構(gòu)

民用建筑的磚木結(jié)構(gòu)是最簡單的結(jié)構(gòu)形式，顧名思義，主要包含磚結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)兩種形式。具體而言，主體、墻體等一些負責豎向承重的結(jié)構(gòu)，主要為磚材質(zhì)；而屋架、樓板等橫向結(jié)構(gòu)，則為木材質(zhì)。磚木結(jié)構(gòu)有著易準備、費用低等優(yōu)勢，不會為工程帶來較大成本投入，一般都用于農(nóng)村房屋的建設(shè)。在結(jié)構(gòu)表現(xiàn)上，磚木結(jié)構(gòu)空間分隔方便，施工工藝簡單，施工材料單一，不過磚木結(jié)構(gòu)建造出的房屋，往往使用年限較短，并且極容易被地震摧毀，造成居住者有人財兩失的危險。

2.2 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)形式的一種，在民用建筑中并不鮮見?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是由框架梁、柱共同承擔主要的荷載?？蚣苤械姆浅兄貕?，在功能上主要用于分隔空間。這些后砌墻只需要承擔自身的重量，不承受其他任何方式的負重。框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)勢相對明顯，墻體材料一般都是采用新型環(huán)保材料，自身重量不大，而且建筑內(nèi)部平面布置十分靈活，在需要較大的空間時，框架結(jié)構(gòu)往往可以表現(xiàn)出色。但是框架結(jié)構(gòu)在抗震方面有著明顯的缺點，原因是框架結(jié)構(gòu)本質(zhì)上為柔性結(jié)構(gòu)框架，不具備較大側(cè)向剛度，往往在強地震下，框架結(jié)構(gòu)在水平上發(fā)生的位移比較大，對建筑物整體穩(wěn)定性易造成較大負面影響。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)

近年來，隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的建筑越來越多地用于居民樓建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)是指主體材料為鋼材質(zhì)，包括柱、梁都是鋼材質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)由于其自身的輕便以及施工的簡便，大規(guī)模用于我國廠房、住宅等的建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)也是各種建筑結(jié)構(gòu)中抗震性能較好的。地震強度低時建筑基本不會被破壞，當?shù)卣饛姸雀邥r也能保證整個建筑不會出現(xiàn)大面積坍塌。但是鋼結(jié)構(gòu)的施工費用比較高，防火性能比較差。

2.4 砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)在我國農(nóng)村地區(qū)相對較為常見，又稱磚混結(jié)構(gòu)。一般的砌體結(jié)構(gòu)適合開間規(guī)整、層數(shù)不多的建筑。如果建筑層數(shù)較少，房間面積不大，則砌體結(jié)構(gòu)適用性較強。砌體結(jié)構(gòu)由于承重構(gòu)件主要為砌體，遇到地震時，較容易發(fā)生脆性破壞，坍塌的可能性較大，最終發(fā)生不可挽回的經(jīng)濟損失和生命危險[2]。

3 不同建筑結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

3.1 磚木結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

磚木結(jié)構(gòu)一般沒有抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)措施。由于木屋架、檁條等結(jié)構(gòu)連接不穩(wěn)定，受到地震力作用，容易對磚木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向和豎向的牽引力，破壞不同構(gòu)件的正常連接，導致結(jié)構(gòu)整體或部分倒塌，造成重大災害。

3.2 框架結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

框架結(jié)構(gòu)的箍筋鉤長度太短，在地震環(huán)境下很容易導致錨固效應失效，從而令混凝土約束力受到影響，無法正常保持支持鋼筋的縱向力。例如底層填充墻，窗下的墻將框架的長柱變?yōu)槎讨?，從而導致剪切破壞。結(jié)構(gòu)間變形縫間距一般過小，地震時建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，造成相互碰撞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的建筑物一般不用，因此不會出現(xiàn)比較嚴重的后果，但也會對建筑物外立面的美觀性造成較大影響，極大增加建筑使用者心理負擔，影響震后使用，框架填充墻損壞嚴重。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

切割連接的結(jié)構(gòu)件，連接方式無外乎焊接或鉚接。若焊縫連接不達標，則節(jié)點區(qū)域可能存在應力集中和低應力現(xiàn)象，在地震中容易發(fā)生連接損壞。梁、柱節(jié)點可能出現(xiàn)的失效現(xiàn)象，例如鉚接斷裂、焊接件錯位、加勁肋斷裂類型及屈曲、腹板斷裂及屈曲等。當?shù)卣饛姸容^大時，支座承受反復拉壓的軸力，一旦軸力超過構(gòu)件的屈曲臨界力，就會發(fā)生失效或失穩(wěn)[3]。

3.4 砌體結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

對于剛性樓板的民用建筑，上層損傷較輕，下層損傷較重；對于柔性樓板建筑，上層的損壞較重，下層的破損壞較輕。橫向承重建筑的震害比縱向承重建筑輕；固體地基上建筑物的震害輕于軟弱地基和不均勻地基；預制樓板結(jié)構(gòu)的損傷較現(xiàn)澆樓板結(jié)構(gòu)大；游廊房屋經(jīng)常受到地震的嚴重破壞；房屋兩端、轉(zhuǎn)角、樓梯及附屬結(jié)構(gòu)震害嚴重。

可以看出，即使是同樣的地震情況，建筑結(jié)構(gòu)也會因自身抗震設(shè)計情況，出現(xiàn)不同損傷。因此，抗震應結(jié)合不同因素，包括結(jié)構(gòu)類型、地震反應特征、地震破壞模式等提高設(shè)計的針對性。

4 基于抗震理念進行民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方式

高層建筑結(jié)構(gòu)通常會以框架剪力墻體系為主，此類框架結(jié)構(gòu)靈活性較強，剛度和抗震性能整體較好，在面臨水平方向力時，框架與剪力墻相互之間可以共同工作。具體而言，豎向載荷主要由框架承擔，水平方向的剪力主要由剪力墻承擔。在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，為防止剪切力破壞墻肢，實現(xiàn)抗震能力的有效提升，可通過將阻尼裝置設(shè)置于建筑連接縫、支撐、剪力墻等處，通過非線性摩擦滯回變形原理，達到吸收地震能量的目的，減少結(jié)構(gòu)水平方向和豎向地震反應，防止建筑整體結(jié)構(gòu)被進一步破壞。

4.1 合理設(shè)置隔震裝置

想要合理設(shè)置隔震裝置，就要明白隔震技術(shù)如何使用。隔震技術(shù)的應用就是指在基礎(chǔ)頂面和上部結(jié)構(gòu)之間，安裝一層具有可靠性的隔震層，將基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)隔離開來，有效控制上部荷載的傳遞。這就要求設(shè)計時根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及本地區(qū)的地震烈度情況選用合理的隔震減震裝置。例如，黏彈性條板式減震裝置就是一種十分低廉的隔震裝置，十分適合我國經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的住宅建設(shè)。各種不同的隔震裝置中，黏彈性條板式減震裝置通常會在框架范圍設(shè)置，組裝方式形似“八”字，能最大程度避免地震波令建筑物出現(xiàn)水平位移的情況，避免建筑物中人身財產(chǎn)安全受到較大威脅。實踐證明，黏彈性條板式減震裝置建造的價格比市面上的其他減震裝置低，而且防震隔震效果更好，在大地震中基本可以保證建筑物的震動強度減少50%，能有效減少地震力。

4.2 建立抗震防線

在抗震設(shè)計中，抗震防線的建立是至關(guān)重要的一環(huán)。例如，在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，要求建筑整體在小幅和中幅地震波動下不受影響，若連梁結(jié)構(gòu)受到地震影響失效，其他結(jié)構(gòu)同樣需要達到承載要求，防止建筑整體出現(xiàn)倒塌情況。另外，相關(guān)設(shè)計要求規(guī)定，應以剪力的20%為標準，控制框架柱剪力要求，也要根據(jù)要求放大地震力。這種情況下，就算剪力墻在地震環(huán)境中不堪重負，框架柱仍具有一定的承載能力，從而令結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性達到要求?？拐鸱谰€是預防地震破壞影響的一種重要方式。在做好地震防線的同時，還要根據(jù)地震安全性評價體系，提高地震預防政策制定的針對性，通過此前發(fā)生地震的數(shù)據(jù)，采取合理的結(jié)構(gòu)形式，達到抗震設(shè)計要求。

4.3 提升民用建筑弱承部位的抗震性能

在民用住宅的房屋設(shè)計中，墻體和柱的設(shè)計都是按照房屋的抗震需要布置的。屋內(nèi)的絕大多數(shù)地方不可以進行改造，否則就會破壞了整個房屋的整體防震設(shè)計，遇到地震時就會發(fā)生不可挽回的后果。例如，民用建筑的剪力墻，在剪力墻拆除后，就可能導致該樓層甚至整座建筑的內(nèi)力重新分布。如果發(fā)生強震，有可能會導致整體倒塌。所以，這就要求設(shè)計時對重點部位提高抗震措施，盡力加強和保護整個建筑的弱承部位。一些建筑團隊往往存在偷工減料的現(xiàn)象，這就要求建筑團隊內(nèi)部要加強監(jiān)管，嚴格把控民用住宅的弱承部位[4]。

5 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計主要思路

首先，應當通過合理的剛度分布，提高控制的適應性，使在地震情況下建筑物整體梁、墻等結(jié)構(gòu)的變形向非彈性變形過渡，最大程度減少地震能量對建筑整體的影響，避免建筑倒塌。在這種設(shè)計思想下，建筑整體結(jié)構(gòu)不僅要達到結(jié)構(gòu)功能的使用要求，而且應保證達到抗震要求。為將抗震設(shè)計的局限性降至最低，應將地震重現(xiàn)期納入考量的各項因素中，進一步規(guī)范抗震設(shè)計。

其次，通過構(gòu)造方法加強薄弱環(huán)節(jié)，這也是抗震設(shè)計中各項工作中的重中之重，盡可能提高變形能力，防止薄弱層出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，從而實現(xiàn)抗震性能的有效提升。

最后，建筑結(jié)構(gòu)性能應達到設(shè)計要求。在建筑理念上，從傳統(tǒng)重視安全結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)為重視建筑性能，結(jié)合多種因素在設(shè)計上體現(xiàn)出創(chuàng)新要求?？拐鹪O(shè)計也一樣，在設(shè)計時應當結(jié)合不同目標性能，進一步細化建筑使用要求，在明確建筑產(chǎn)生效益的基礎(chǔ)上，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，減少抗震設(shè)計的過多投入，有效控制成本，從而提升建筑工程整體質(zhì)量。

6 民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念與工程實例分析

青島某建筑工程項目地上26層，地下3層，總建筑面積約6萬m2。其中地下3層為車庫及設(shè)備用房。1～3層為商場，4～5層為辦公用房，6層為設(shè)備轉(zhuǎn)換層，7～26層為住宅層。7層樓用作結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

建筑總高出地面85 m，以框架剪力墻作為主體結(jié)構(gòu)，柱截面800 mm×1 200 mm、900 mm×1 200 mm，墻厚200～400 mm，裙樓板厚110 mm，住宅板厚100 mm，屋面板厚120 mm，轉(zhuǎn)換層板厚180 mm，梁截面為200 mm×400 mm～250 mm×600 mm，轉(zhuǎn)換層框架梁為400 mm×1 400 mm～500 mm×1 600 mm。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，本工程平面及豎向規(guī)整性指標中有四項存在不符合現(xiàn)象。

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則性。如果將地震可能產(chǎn)生的偏心影響考慮在內(nèi)，則應以1.2倍樓層平均值為標準，計算高層建筑豎向構(gòu)件可能存在的水平位移最大值。該值應為1.2～1.4倍，本工程最大值為1.31，屬于Ⅰ類扭轉(zhuǎn)不平順。

2）不規(guī)則凹凸。該T型孔型框架結(jié)構(gòu)平面最大凸出尺寸L=17.25 m，Bmax=41.30 m，比值為41.8%，大于35%。

3）樓板局部不連續(xù)。電梯間局部樓板凈寬度最小值為3 m，規(guī)范要求，樓板凈寬度最小值應在5 m以下，符合有關(guān)要求。

4）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)?？蚣芗袅νㄟ^轉(zhuǎn)換梁傳遞到框架柱上，轉(zhuǎn)換梁為Ⅱ類豎向抗側(cè)力構(gòu)件，不連續(xù)，滿足相關(guān)規(guī)范。

從工程實例可以看出，從抗震理念的角度來看，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的最終目的是保護生命安全?？拐鹪O(shè)計不僅要防止建筑物倒塌，而且要根據(jù)建筑物的用途和重要性，有效地控制建筑物受損程度。

7 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們的安全意識在不斷加強，經(jīng)過很多次地震的洗禮后，民用建筑的抗震理念必須體現(xiàn)在每一個樓盤中。加強民用建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的研究，是對我國居民人身財產(chǎn)安全的基本保障，也是增強我國居民幸福感的一個重要因素。加強抗震理念的建設(shè)，勢必會使我國民用建筑達到更高的層面。