基于抗震性能的建筑结构工程设计策略探讨

2015-10-12宋亮池州市建筑设计院安徽池州247000

建材与装饰 2015年51期

宋亮（池州市建筑设计院　安徽池州　247000）

基于抗震性能的建筑结构工程设计策略探讨

宋亮
（池州市建筑设计院安徽池州247000）

汶川地震给我们带来惨痛的经验教训，提升房屋抗震性能具有十分重要的现实意义。现代建筑结构设计必须要加强抗震设计，以有效避免不必要的生命财产损失。本文从概念设计、抗震计算与构造措施三个方面探讨了房屋抗震性设计要点和方法，为房屋设计和工程实践提供理论指导和支持，不断促进建筑业健康快速发展。

抗震性；建筑结构；设计

常言道：“地震不会杀人，杀人的是倒塌的建筑物”。2008年汶川大地震中受损的房屋结构与唐山大地震中的具有较大共性，那就是以砌体结构房屋为主，这类房屋主体承载能力较差，房屋结构强度偏弱，预制板与竖向承重结构设计不合理，一旦遭受较高级别的地震十分容易坍塌，例如图1中就是汶川某地在地震后损毁的民房。同样作为发展中国家的智利，其也经历过重大地震灾难，但是其伤亡群众人数远远少于我国汶川和唐山地震，究其原因，主要与智利房屋采用了科学的抗震性有很大关系。从中可以看出，在房屋结构设计中采用抗震性设计具有十分重要的现实意义，本文将就房屋抗震性设计进行初步探讨，以得出有价值的研究结论。

图1　2008年汶川大地震中受损房屋

为增强房屋抗震能力，减少自然灾害带来的生命财产损失，在建筑结构设计中引入抗震设计具有十分重要的现实意义。本文总结和分析了地震中房屋受损特点和规律，从抗震概念设计、抗震计算与构造措施三个方面提出了改进房屋抗震性设计的对策。其中：概念设计主要是整体把握房屋结构抗震性设计的理念和思想；抗震计算主要是采用定量方法分析建筑抗震性结构设计要点和参数；而构造措施是在遵循前面两个步骤基础上，保证房屋抗震设计受到实际效果。

1　房屋抗震概念设计

房屋抗震概念设计主要综合考虑以下几个方面要求：

（1）房屋平面设计要遵循规整、受力匀称的原则。不规则的平面设计、不对称的受力结构、凹凸幅度过大、重心偏移较大以及同一房屋单元内结构平面和刚度不匀称、房屋平面长宽比不合理等，都会降低房屋抗震性，因此在房屋设计过程中，要严格遵循规整、对称的设计理念。

（2）房屋强度和刚度相一致。对于高层建筑来说，要尽量保证每层强度和刚度匀称，否则一旦发生地震，强度和刚度严重不对称的楼层就会成为最先变形和损毁的部位，这会导致建筑物遭受严重外力破坏。例如商住楼经常采用底层为框架、上部为砖混结构设计，底层框架抗侧移刚度明显强于上层楼层，其抗震性也相对较差，往往在地震中率先被破坏。因此，为加强房屋底部侧移刚度，要在房屋四周设置剪力墙。对于底层框架住宅来说，其比较适合采用底层框架剪力墙结构。

（3）结构超静定次数多。静定结构的房屋杆件受力系统和传力路线比较单一，只要有一根杆件受损，就会导致整个房屋结构遭受巨大破坏。当超静定结构受到的外力超出其荷载力后，其内部杆件就会发生形变，这可以消化部分外力，降低房屋整体结构受损风险。总体来说，房屋超静定结构次数越多，则吸收的地震能量也就更多，抗震效果就越好。

（4）尽量采用“强柱弱梁”框架结构。要降低地震中房屋坍塌风险，可以采用“强柱弱梁”的结构设计，避免使用“强梁弱柱”框架结构设计。当房屋遭受水平地震力作用时，梁首先会发生形变，因此可以通过梁来吸收地震能量，从而有效保护柱子结构完好性，这可以有效降低房屋坍塌风险。

（5）尽量使用耗能构件。要提高房屋吸收水平受力性能，应尽可能多使用耗能构件，这可以有效提高房屋建筑抵抗地震冲击能力。

（6）房屋强构件相互连接。可靠的构件连接是保证房屋强度的重要前提，只有这样才能够更多地消化地震能量。通过将强构件连接在一起，可以保证地震冲击波在房屋框架内均匀分布，从而有效提高房屋整体抗震性。

（7）保证所有楼层强度相一致。对于高层房屋来说，一旦其中存在薄弱楼层，那么在地震中这个楼层就会率先发生形变，而楼层刚度均匀分布的大楼，能够保证各层受力均匀，房屋整体发生形变的概率就会明显降低。

（8）加强形体突变部位。如果建筑物有突变部位设计，要对这些部位进行重点加固，避免其成为房屋薄弱部分。

（9）充分利用好填充墙。在高层建筑物内，通常采用砖砌围护墙和隔墙填充大楼框架，这可以有效提升房屋抗震性能。如果采用混凝土作为框架楼墙壁填充物，可能会增大房屋在地震中的受损范围。因此，在房屋结构设计过程中，要尽量保证隔墙和围墙分布均匀，受力匀称。根据房屋抗震设计规范：框架性房屋结构先完成框架施工再进行砌筑填充墙，底层框剪结构先砌筑墙体后浇筑框架。

（10）尽量使用轻量化建筑材料。建筑材料质量越轻，抵抗地震效果越好。在房屋墙体、隔墙、防护墙及房屋构件中，要尽量采用轻量化建筑材料，这可以有效提高房屋抗震性能。

（11）设置多层防线。一般来说，地震发生具有连续性、反复性和复杂性等特点，在较短的时间里会对建筑施加多次外力冲击。因此，建筑物不能单纯设置一道抗震防线，而是要尽可能多的采用多重抗震防线，以有效延缓房屋破损倒塌时间，为抢救屋内生命、财产争取更多的宝贵时间。

（12）重视楼梯间设计。楼梯间往往在地震中受损严重，这直接影响屋内人员逃生，因此必须要加强楼梯间构件安全设计。本文前面分析过，楼梯间是重要逃生通道，在设计房屋结构时，要对楼梯间抗震性进行加强处理，采用更加科学合理的设计，全面提升房屋楼梯抗震能力。

（13）引入最新隔震技术，提高房屋结构抗震性能。通过分析国内外地震灾害经验可以发现，隔震技术能够有效降低地震后房屋破损程度，而且不会大幅增加房屋施工成本。工程实践经验告诉我们，基础隔震建筑比传统建筑工程造价高出5～10%左右，但是房屋抗震性却得到显著提升。另外，在地震中有不少房屋没有倒塌，但是由于内部配套设施和装修物受损严重，同样造成了巨大的生命财产损失。因此，从长远考虑，增加5～10%的成本可以显著提高房屋抗震性，其带来的经济效益是无法估量的，因此采用隔震技术具有十分重要的现实意义。

2　抗震计算与构造措施

2.1抗震计算

不同建筑结构具有不同的抗震效果和性能，在计算建筑物抗震性时主要考虑以下几个方面：

（1）正常情况下，要选取至少两个建筑结构的水平方向计算抗震效果，不同方向的水平地震作用力主要由建筑物同方向的构件承担。

（2）采用斜交抗侧力构件的建筑物，当构件相交角度超过15°时，要综合考了各个构件水平方向上的抗震能力。

（3）对于质量和刚度分布不均的建筑物构件，要对其双向水平地震受力产生的扭转影响；其他情况应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。

（4）采用了8度、9度时的大跨度结构和长悬臂结构及9度时的高层建筑，要计算竖向地震作用。

（5）要根据建筑和场地类别，确定抗震措施等级和标准。

（6）在选择和确定抗震计算方法时，应遵循以下几个原则：

①对于高度低于50m、采用剪力墙结构设计以及刚度分布比较匀称的高层建筑，比较适合使用底部剪力法等简化方法。

②除第一种类型的建筑结构外，可以采用振型分解反应谱法。

③对于采用不规则平面和外型设计的建筑，甲类建筑和烈度、场地内限定高度范围的高层建筑，可采用时程分析法计算，取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

2.2构造措施

混凝土结构建筑物，大多使用钢筋混凝土构件作为建筑构件和材料，这类建筑截面高宽比限值较高，同时需要满足最小配筋率要求，要合理控制承重柱轴压比。砖混结构的建筑物，采用的构造措施有限定房屋总高度和层数层高；在纵、横墙中设置钢筋混凝土构造柱、圈梁；房屋的高宽比、横墙间距局部尺寸进行限值控制，设置防震缝等，突出屋顶的楼、电梯间和构造柱要延伸到房屋顶部，要与顶部圈梁保持强连接，内外墙交接处应沿墙高每隔5m设置长拉结钢筋。拉结填充墙参与整体结构受力，且对结构刚度有较大影响，在设计中应充分考虑。