有关建筑抗震性的结构设计浅议

任慧志

【摘要】随着经济的不断发展，公共建筑的安全越来越受人关注，文章建筑结构形式出发，阐述建筑抗震性的结构设计。

【关键词】建筑抗震性；结构设计

1.引言

造成建筑物震害的原因是多方面的，结构工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，应立足于工程抗震基本理论，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题。丈章论述了结构抗震结构形式、建筑的震害特征和建筑优化设计三个方面对整个结构抗震性能的影响及相关措施。

2.建筑结构形式

2.1砖木结构

由于经济条件的限制和材料供应等方面的限制，砖木结构形式的学校建筑主要集中于我国偏远地区。这种形式的建筑是以砌体和木材为主要材料，纵、横墙为主要的承重构件，均由砌体砌筑而成，屋盖为析架形式的三角形木屋架与承重墙体相连，并且能够传递水平地震作用，凜条一端放置于山墙上，另一端与木屋架相连，如图2.1所示。这种结构形式的建筑建造时间比较久远，多集中于上世纪六十年代以前，特点是建造简单，取材容易，费用较低，但其防潮、防火及抗震性能比较差。

2.2砌体结构

砌体结构主要是以砖、石等材料通过砂浆的粘结作用砌筑而成的结构，由于其组成的基本材料和连接方式，决定了它的脆性性质（抗剪强度低，延性较差），加之砌体结构以墙体为承重构件，其侧向刚度往往较大，结构自振周期小，故产生的地震作用也较大，从而使其遭受地震时破坏较重，抗震性能很差。在国内外历次强震作用下，砌体结构的建筑破坏率非常高：1923年日本关东大地震中，砌体房屋破坏率为80%一90%；1948年苏联阿什巴哈地震中，砌体房屋破坏率为70%一80%；1976年唐山大地震中，砌体房屋破坏率为70%一90%；2008年汉川大地震砌体房屋的破坏率也高达70%。因此在对多层砌体结构进行抗震设计时，需要采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施以提高其延性和抗倒塌能力。砌体建筑一般采用单跨外带悬挑走廊的结构形式。由于采光、通风及空间等方面的要求，这类建筑在设计过程中过度追求大开间、大门洞、甚至通窗等效果，导致结构横墙间距大，纵墙上窗户开洞面积较大，对墙体刚度削弱较多，则抗震性能也就越差。

2.3框架结构

框架结构也是建筑普遍采用的一种结构形式，与砌体结构类似一般采用单跨外带悬挑走廊的结构形式，也有些框架结构为了增加结构的冗余度而在走廊一侧增加一排框架柱使其成为两跨框架结构，或者在结构两侧走廊各增加一排框架柱使其成为三跨框架结构。框架结构属于柔性结构，单跨框架的侧向刚度就更加的小，在强烈地震作用下，结构所产生的水平位移较大，容易造成非结构构件的破坏，在框架节点处应力集中现象显著，容易造成节点区域的破坏。

3. 建筑的震害特征

3.1砖木结构震害特征

由于木屋架支撑处没有均匀传力的垫块和紧固措施，地震作用下木屋架上的惯性力不能有效地传递至砖墙上，木屋架缺乏有效约束，构件体系的整体性差，导致木屋架整体坍塌。屋面瓦在屋架上的固定不足，导致地震作用下瓦片纷纷散落。

墙体开裂有：门窗洞口处、窗间墙处、纵横墙交叉处的裂缝。门窗洞口处及窗墙处的墙体裂缝主要由于整个结构刚度分布不均匀，加之这些部位墙体的刚度较大，所以地震作用也相对较大，导致出现X形裂缝。纵、横墙交叉处的裂缝是由于外墙转角处和内外墙结合部位咬合不牢，更没有拉结钢筋，加之砌体的延性、抗剪、抗拉强度均较低，所以这些部位两侧墙体接搓处容易形成上下贯通的裂缝。

3.2墙体出现x形裂缝

墙体出现贯穿的斜裂缝，在地震作用下，由于墙体上的主拉应力超过砌体强度引起剪切破坏，从而出现贯穿墙体的斜裂缝，这种震害现象比较常见。

墙体出现x形裂缝，由于靠近走廊一侧的的纵墙上即开门又开窗，该侧墙体的刚度及承载力小于另外一侧，所以X形裂缝主要出现在该侧的纵墙上，多集中于门洞之间，窗间墙和窗下纵墙，X裂缝产生的原因和斜裂缝相同，出现X形裂缝的墙体往往是砂浆被震松，墙体被压酥，并且丧失承载力。

墙体出现水平裂缝，水平裂缝产生的原因是：竖向地震作用导致砂浆受拉，并且超过其抗拉强度，或者水平地震作用下砂浆受剪，最终超过其抗剪强度而破坏。这种震害现象一般出现在楼盖、屋盖梁板附近的墙体上下，墙体沿灰缝出现贯通的水平裂缝后引起楼盖、屋盖的滑移和错位，严重时会导致预制板脱落。

纵横墙体平面外失稳倒塌，外纵墙与横墙之间接搓处没有设置构造柱或拉结钢筋，导致墙体失稳倒塌。

4. 基于功能的含屈曲约束支撑的建筑框架结构一体化优化设计

4.1结构优化设计概述

优化方法的出现，可以追溯到牛顿、拉格朗日和柯西时代。到了20世纪60年代，优化问题发展并形成为一门新兴的基础学科。而结构优化设计是计算力学的一个分支，它致力于研究改进结构设计的方法，来帮助工程结构设计人员设计出既经济又可靠的工程结构。

结构优化设计有三个要素：设计变量、目标函数和约束条件。设计变量：设计变量是设计中可以独立改变的参数，不同的设计变量取值对应不同的设计方案。对应于最优设计方案的设计变量取值称之为最优点或最优解。与最优点相对应的目标函数值称为最优值。约束条件：又称为状态变量，是求目标函数极值时的某些限制条件，简称约束。约束条件越接近实际系统，所求得最优化问题的解越接近于实际情况的最优解。目标函数：目标函数是评价设计方案优劣的数学表达式，它的建立对能否得到理想的方案非常关键。使目标函数极大或者极小，就是使问题的性能指标为最优。

4.2强震作用下结构的响应分析

为了准确地模拟结构在强烈地震动作用下的响应过程，本文采用空间有限元动力计算模型，用SAP20OO软件的线单元中的框架单元将整个框架结构离散。该框架单元使用一般的三维梁一柱公式，包括双轴弯曲、扭转、轴向变形、双轴剪切变形等效应，能准确地模拟实际的工程结构。框架截面在SAPZO00中可以很方便的定义，如参数形式的直接定义，型钢库的调用或者直接指定常数。每个框架单元由两个节点控制其几何位置，每个节点具有六个自由度（3个平动自由度和3个转动自由度）。动力分析中，结构的质量用来计算惯性力，框架单元所贡献的质量集中在两个节点上。屈曲约束支撑采用SAPZ000有限元软件中的Wen塑形单元来模拟。

4.3一体化动力优化设计的计算模型与优化方法

在大震作用下，对于含屈曲约束支撑的单跨框架结构，在不超过规范的前提下，希望其层间位移角尽量小，同时希望结构和屈曲耗能支撑的造价尽量低。也就是说，要使两个相互矛盾的要求同时满足，一般的设计方法很难办到。屈曲耗能支撑的体积和框架结构梁柱尺寸一体化动力优化设计可以同时满足上述两个设计要求。

优化选用的是序列二次规划算法。该种算法比较适用于优化问题不是很大、函数和梯度能够用较高的精读来评估的优化问题，其特点是用来解决带有约束的非线性数学规划问题，并假设目标函数和约束条件是连续可微的。基本思想是将目标函数以二阶拉氏方程展开，并把约束条件线性化，使得转化为一个二次规划问题。二阶方程通过quasi-Newton公式得到了改进，而且加入了直线搜索提高算法的稳定性。

结 论

本文主要研究了中小学建筑结构的抗震性能，内容主要分为三部分：一是典型的单跨建筑结构的抗震性能的研究；二是几种不同的建筑结构体系的抗震性能的研究对比；三是对含有屈曲约束支撑的中小学框架结构进行了一体化动力优化设计。

参考文献

[1]王亚勇.概论汉川地震后我国建筑抗震设计标准的修订[J].土木工程学报，2009，42（5）：1-12.

[2]汤朝晖.日本中小学校防灾抗震设计启示[J].防灾减灾，2009，（l）：86-89.