浅谈当代房屋建筑结构抗震设计

2015-04-16葛雄宗

建材与装饰 2015年1期

关键词：防线延性抗震

葛雄宗

（华蓝设计（集团）有限公司广西南宁 530011）

浅谈当代房屋建筑结构抗震设计

葛雄宗

（华蓝设计（集团）有限公司广西南宁 530011）

近年来我国地震灾害频繁发生，房屋建筑结构抗震设计已经引起了人民和相关部门的广泛关注。地震作为一种无法准确预测的突发毁灭性自然灾害对房屋危害极为严重，严重威胁人们的生命财产安全。所以大力加强房屋建筑结构抗震设计，提高建筑整体抗震性能具有很重要的现实意义。

房屋建筑；建筑结构；抗震设计；多道抗震防线；延性设计

1 前言

当代房屋建筑结构抗震设计应基于抗震概念设计，结合科学的抗震模拟计算措施和抗震构造措施，把控抗震设计的质量关键节点，并逐点落实于实际结构设计，从而使得结构具备优良的抗震性能和足够安全的可靠度；应立足抗震概念设计及国家规范，并于实际设计中准确且灵活地运用它们对建筑结构主要部位、关键部位及短板进行针对设计，在未落实施工的设计阶段就消除建筑抗震薄弱环节的隐患，提高建筑整体的抗震性能。本文结合一些广西的实际情况，从场地选择与基础设计、结构布置、结构选型、多道抗震防线、刚度和强度匹配、结构的延性等几个主要方面，初步探讨了建筑结构抗震设计。

2 广西抗震设防概述

广西位于亚欧板块内部华南地震带上，处于内陆比较弱的活动地震带，运动水平较低，其运动速度仅为2mm/年。按照国家抗震设防的烈度区划图，广西除少数市县处于抗震设防Ⅶ度区外，大部地区为抗震设防Ⅵ度区域，也有少部分地区为非抗震设防区域。结合《建筑工程抗震设防分类标准》，广西的标准设防类房屋的必须要按地区相应的设防烈度进行抗震设计，而对于非抗震设防地区（如广西来宾市），有相应的地方文件作抗震设防的要求。

3 场地选择与基础设计

建筑场地应选择对建筑抗震有利的地段，避开可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流及地表错位等的抗震不利地段。抗震有利场地是指开阔平坦地的坚硬场地和密实均匀的中硬场地，一般即对应勘察报告的Ⅰ、Ⅱ类场地场。场地选择应根据实际地质情况作决定，首先选择抗震有利的场地，必须在不利的场地建设时应进行针对的加强设计，禁止在抗震危险场地建造抗震建筑。广西为山地丘陵性盆地地貌，基本特征是：盆地大小相杂，山系多呈弧形且层层相套，丘陵、平地及喀斯特地貌错综广布。广西的工程场地多为Ⅱ类场地，但由于区域地貌的特殊性，尤其容易出现场地及土层分布不均匀，岩石和土甚至软弱地基交叉的场地情况，设计时更应对场地及基础持力层做出正确的选择，从根基上保证结构的牢固。广西常采取的基础类型多为天然基础（独立基础、筏板基础）及桩基础（大直径灌注桩、预制桩）。基于广西地貌容易出现岩石和土层分布不均、持力层埋深不同的复杂场地，工程师进行结构设计时应特别注意同一结构单元避免部分采用天然地基部分采用桩基的形式，且同一结构单元的基础避免设置在性质截然不同的地基上；当地基为抗震不利地基时，应采取地基加固处理等措施，消除抗震不利条件。

4 结构布置

建筑形体及平立面布置应规则和对称，这是抗震结构布置最基本的原则。不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案[1]。结构平面布置应简单、规则、对称及减少偏心，这决定了建筑结构平面形状方案应以最简单规则的正方形、限制长宽比的矩形、圆形为主，而结构单体应杜绝长翼缘的L形、H形、Y形等凹凸不规则或楼板不连续的平面；结构立面布置应遵循沿结构高度刚度均匀变化、结构重心低置的原则，对应的可采用矩形、梯形或三角形等均匀变化的几何形状，避免突然收进或挑出的阶梯形或头重脚轻的倒梯形、倒三角形。当建筑方案无法避免特别不规则的情况时，可根据实际建筑功能的需要和限制，结合抗震计算指标和经济造价指标，于适当部位设置防震缝将复杂的不规则结构“切割”成规则的结构单元的组合。广西虽然处在抗震设防低烈度区域，结构布置较高烈度设防区灵活，但仍应遵循抗震结构布置的基本原则，不应在平面布置上追求凹凸不平的造型，更不应在立面上追求大悬挑大收进的体型。应从建筑方案设计阶段介入，尽量避免导致刚度和应力突变的不利布置。

5 结构选型

建筑结构类型，决定房屋抗震性能的先天优劣势。我国由于历史和经济原因，虽然传统的砖混结构、钢筋混凝土结构得到了发展和完善，但当代抗震性能优异的结构类型在我国推广较为落后，如钢结构及型钢混凝土结构等先进的结构类型在我国发展也是较发达国家延迟，这种现象在广西等西部欠发达地区尤为显著，这与地区的经济水平、设计水平及施工管理水平较低有关。排除地区条件限制，结构选型应该结合建筑的重要性、高度、抗震设防烈度、地质状况、基础类型、当地材料供给、投资经济性和施工技术水平等综合优选。我国主要的建筑结构类型按照抗震性能优劣排序：钢结构、型钢混凝土结构、现浇钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、装配式钢筋混凝土结构、砌体结构。这只是结构类型的先天性能优劣顺序，比对到具体的建筑结构时，其抗震综合性能优劣并不一定就按照此顺序。例如2008年汶川地震，灾区部分抗震设计的砖混房屋未严重损毁，但是不少的框架结构却整体倒塌，该现象值得思考。结构选型仅是抗震设计的单个方面，决定建筑综合抗震能力的是本文所探讨的众方面；协调各方面，提高建筑综合抗震性能，才是抗震设计的正确方向。抗震结构体系还应具有能科学模拟地震能量输入的简化计算模型以及简单直接的地震作用传递途径，应避免传力不清的体系，如部分框架承重部分砖混承重的“混合结构”，又如裙楼梁板简支搭在主楼结构构件上的“似连非连，要脱不脱”的主裙楼关系。应充分考虑结构防连续倒塌设计，避免地震时仅因部分结构或构件破坏而导致连续倒塌，使整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力。另外，结构体系应有合理的强度和刚度分布。

6 多道抗震防线

多道抗震防线，产生于“多重设防，多重保障”这种朴素而科学的理念，确保了建筑结构的抗震可靠度。多道抗震防线是指：多道抗震防线的建筑结构，从体系层面上应由若干个延性较好的分体系组成，从构件层面上应由延性较好的结构构件联合起来协同工作，并且具备合理的强度和延性。传统的多道抗震防线体系有框架-抗震墙体系（由延性框架和抗震墙两个系统组成）、双肢或多肢抗震墙体系（由若干个单肢墙分系统组成）和框架体系（由框架梁和框架柱）三种。当多道抗震防线设计为由若干个分体系组成时，原则上作为第一道抗震防线的抗侧力构件不应是框架柱，而是不负担或少负担重力荷载的填充墙或竖向支撑，或是轴压比较小的剪力墙、筒体等。因条件限制只能采用单一体系时，则应该确保体系内部构件之间的关系能实现“多道防线”，如单一的框架结构体系，应设计成以梁为第一道防线，柱为第二道防线的“强柱弱梁”型延性框架。

7 刚度和强度匹配

建筑结构体系应该有合理的刚度和强度分布。我国抗震设计概念的要求，其实都可以从建筑结构刚度和强度来延伸。刚度和强度，矛盾又统一的两者，一直都是抗震设计理论的焦点。当前我国抗震设计以“抗”的方法为主，这就要求建筑结构有较大的刚度和强度。刚度和强度存在微妙的关系：有时候为追求较小的侧移需要较大的刚度，却导致地震作用加剧，地震作用加剧又要求建筑结构强度加强，强度加强又会导致刚度增大，形成恶性循环；有时候结构计算要求减小地震力作用，需要减小刚度，而刚度过度减小又往往会使结构过柔而导致非强度层面的破坏。两者间的矛盾决定了两者之间需要一个平衡点去统一，即不能片面的追求刚度或片面的追求强度，应通过调整构布置使得刚度和强度匹配，采取措施保证结构体系关键部位（如转换结构、短柱等）的延性性能，从而避免建筑结构因刚度和强度不匹配造成延性差、应力集中的薄弱短板。国家规范就建筑结构的刚度和强度分布的合理性有重要的规定，基本原则的就是确保结构的规则和对称，体现为几个可控的、量化的关键比值：周期比，位移比，位移角，层刚度比，楼层受剪承载力比，剪重比，刚重比。这些指标的控制应贯穿于结构设计分析的整个过程。协调刚度和强度，其最终目的简单来说就是使建筑结构“刚柔并济”，拥有合适的侧移刚度和尽可能长的自振周期，及最小的水平地震作用；确保规则均匀，避免有害的扭转和位移，经济性好、抗震性能高。

8 结构的延性

延性是衡量结构耗能能力的指标，是结构抗震性能优劣的重要评价标准。结构延性从整体到局部可分为四个层次，即：结构总体延性、结构楼层延性、构件延性、杆件延性[2]。抗震延性设计主要体现在对关键部位的设计上，因为保证了关键部位及关键构件的延性，才可能使得结构不出现薄弱层、薄弱部位，从而保证结构的总体延性和整体性。抗震延性设计的思路，归结来说是一种针对建筑结构关键和薄弱的进行延性设计的方法。如针对竖向薄弱时，应针对性地提高主楼与裙房顶面衔接的楼层构件的延性，体型突变处楼层构件延性的加强，转换结构体系底部几层的延性设计等；针对构件及杆件时，可用“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”等来概括。抗震设计的其他方面如结构布置、刚度和强度的分布等也影响结构的延性，某种意义上来说也是为了保证结构的延性。