建筑结构设计中的抗震结构设计理念略谈

2018-02-04夏文龙

智能城市 2018年13期

夏文龙

中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司，安徽合肥 230041

1 抗震设防目标

建筑结构设计中进行抗震设防设计，主要目标如下：首先，在发生常规地震，也就是低于本地区所规定的设防烈度时，建筑物不会受到损坏，也不用进行维修还能继续使用；其次，在遭受到和本地区所规定的设防烈度相同的地震时，建筑物可能会受到损坏，但是可以修理，而且不会对人民的生命财产安全造成威胁。最后，如果在遭受到罕见的大地震时，建筑物受到损坏，但是保证不会坍塌。所以建筑结构的防震结构设计，主要是出于设防烈度的考虑。

2 抗震结构选型和结构布置

2.1 选择结构材料

建筑抗震结构材料关系着建筑结构抗震能力，在材料选择时应该根据建筑方案设计来进行，同时应该研究确定建筑形式和建筑结构体系。这样最终确定的结构类型才是既符合抗震要求又达到经济目标的，一般来说结构类型需要考虑到建筑的设防烈度、房屋高度、地基、基础、材料和施工、经济、技术等要素，而只从抗震角度来看，所选择的结构材料应该满足以下几点：首先材料延性要好，其次强度要满足抗震要求，匀质性要好，另外，构件连接较好，比较完整和连续。根据这些要求，按照抗震性能优劣，常见建筑结构类型中，钢结构优越性较为突出，具有延性好、连接好、有可靠节点等优点。

2.2 确定抗震结构体系

合适的抗震结构体系应该具有以下几个特点：首先该结构体系具有明确计算简图和地震作用传递途径；其次，能够形成多道抗震防线，即使在构件受到破坏时也有足够抗震和承载能力。此外，该结构体系上的刚度和强度分布合理，如果出现薄弱部位应采取相应措施来提高抗震能力。在结构体系选择确定时必须要充分考虑场地条件和刚度，注意选择合理基础形式，如果是高层建筑应该设置地下室，针对地基软弱的应选择桩基或筏板基础，而岩层高低不平则应选用桩基，对建筑物层数不多、地基较好的则可以采用单独基础。

2.3 结构布置的原则

首先，结构布置要求是对称结构，因为对称结构只发生平移振动，各构件刚度分布均匀，受力平衡；而非对称结构则会使得重心偏向一边，部分构件受到的应力和地震剪力较大，从而可能会严重破坏结构。此外，结构布置要求均匀结构竖向布置，也就是使得竖向布置上刚度、强度均匀，避免出现薄弱部位。在实际抗震结构设计中，同一楼层的框柱架应该要有一致的刚度、强度和延性，这样在发生地震时，不会因为受力不均匀而出现各个构件被逐一攻破的可能。

2.4 选择抗震体系类型

首先，建筑物体型应该简单且具有规则，有明确受力性能，便于分析内力和处理结构细部构造。其次，对体型比较复杂的、平立面不规则的建筑结构应该在合适的位置合理设置防震缝，对水平地震作用进行计算，并对内力进行调整，然后采取相应抗震结构措施。这是因为通过精确抗震分析，可以对局部应力和变形集中、容易受到损坏的地方进行准确判断，从而及时采取抗震结构措施来提高抗震能力。

3 建筑结构设计中的抗震设计探讨

建筑结构设计中的抗震设计包括结构方案设计、结构计算和施工图设计三个阶段，其中，结构方案设计主要是根据现场勘察情况制定勘察报告，初步确定建筑结构形式，然后根据不同结构形式特点和要求布置结构的承重体系和受力构件。在结构计算阶段，需要计算的内容有荷载、构件、弯矩、剪力、扭矩、拉力等内力，还包括构件校核计算。在施工图设计阶段，根据计算结果确定构件布置、构件配置要求，同时确定结构构件构造措施。

3.1 抗震结构设计原则

在进行抗震结构设计中，结构构件必须满足承载力、刚度、稳定性和延性等方面的要求，针对结构构件中的薄弱部位，要采取措施提高抗震力，对承受竖向荷载力的构件尽量避免成为主要耗能构件。其次，抗震结构体系应该由多个延性良好的构件连接组成，比如框筒结构中抗震结构应该由框架和剪力墙两部分组成。此外，应尽可能多设置几道防线，因为如果只设置一道防线，在第一次破坏后发生余震将损坏建筑结构，而多道防线则能使延性和刚度均匀分布，使结构可以耗散地震能量，从而提高结构抗震性能。最后，合理处理结构构件之间的强弱关系，当主耗能构件屈服后，其他抗侧力构件具有弹性适应能力，保证结构的抗倒塌能力。

3.2 抗震结构优化设计

3.2.1 构件的设置

一方面在底部加强区以下，也就是在高层建筑的负一负二层中可以设置构造边缘构件。在负一层为保证嵌固端边缘构件纵筋延续，边缘构件的纵筋和第一层相同，箍筋按照构造边缘构件设置；而负二层以及以下部分则可以全部设置构造边缘构件。另一方面关于核心筒角部位，也就是底部加强区以上也可以设置约束边缘构件，根据轴压比来调整箍筋配置和非阴影区域的长度。此外，对构件之间的连接、构件延性和刚度进行控制，比如适当处理构件强弱关系，保证构件延性和抗倒塌能力。对构件中相对薄弱的部分应该采取措施加以保护，提高抗震能力。比如通过合理承载力、弹性受力等计算，使楼层比值保持均匀变化，防止因局部强化而忽视整体结构的刚度、承载力协调。

3.2.2 次梁的设计优化

次梁在布置上首先要沿着结构内部向周围发射布置，这种布置方式不仅传力途径清晰效率较高，而且能够对主梁高度进行控制，从而确保框筒结构净高。对结构平面外的梁体设计，也应该按照次梁方式进行布置设计。也就是一端和结构平面外相连接，一端和外围主梁相连接的梁，应该按照次梁设计。在设计中需要手动调整抗震等级，现在也可以通过参数设置自动实现。

3.2.3 底层柱设计优化

高层建筑的底层柱，其性能关系着整个建筑结构的抗震能力。所以在其抗震设计时，必须要满足强度、刚度和延性要求。在底层柱的设置上，首先可以在保证结构刚度和稳定性的基础上对框架柱的截面进行控制，适当地减小柱截面，同时混凝土强度等级可以适当提升。这是因为框筒结构中的大多数框架柱是构造配筋，所以适当地控制框架柱截面，可以减少框架柱配筋的使用。此外，在框筒结构中，框架柱下部分截面较大，然而剪跨比却经常小于2，属于短柱，所以框架柱体积的配箍率往往在1.2%以上。但是在楼层升高以后，框架柱截面减小，剪跨比可能在某一层上突然达到2以上，这时就需要根据轴压比进行计算然后确定框架柱的体积配箍率，对框架柱箍筋配置进行精细化。短柱延性较差，在受到强地震时容易造成剪切破坏而使结构破坏。影响混凝土短柱延性的因素一个是轴压比，另一个是配箍率和箍筋形式。为提高混凝土短柱抗震性能，需要进行短柱延性强化设计。以下从提高短柱受压承载力、采用钢管混凝土柱箍筋形式、采用分体柱等三个方面谈谈如何进行底层柱的优化设计。

3.2.3.1 提高短柱的受压承载力

提高短柱受压承载力，主要是减小柱截面，同时提高剪跨比。一般方法是加强混凝土强度等级，采用高强度混凝土来增加短柱的受压承载力，降低轴压比。但是因为高强度的混凝土材料本身自重较大，且延性较差，所以在实际设计施工中需要和其他措施结合起来。另外，采用钢骨或者钢筋混凝土柱也可以有效提高短柱受压承载力，从而改善建筑结构抗震性能。

3.2.3.2 采用钢管混凝土柱

上文谈到，采用钢管混凝土柱可以提高短柱受压承载力，同时柱截面要比一般的钢筋混凝土柱小一半，可有效避免短柱形成，具有较好抗震性能。具体来说，钢管混凝土柱是箍筋的一种特殊形式，是将混凝土填入到钢管内而形成的组合结构材料，其中混凝土受到侧向力约束，处于三向受压状态中，所以混凝土抗压能力和极限压有很大提高，其延性同时得到改善。另外，钢管既是纵向箍筋，又是横向箍筋，在选择高强度混凝土进行箍筋后，底层柱承载能力大幅度提高，从而有效改善底层柱抗震能力。

3.2.3.3 采用分体柱

当底层柱抗弯承载力大于抗剪承载力时，在抗震作用下会发生剪切破坏情况而损坏整个结构，底层柱抗弯强度无法发挥效果。底层柱下截面大、剪跨比小，属于短柱，抗弯承载力要大于抗剪承载力，为适当降低短柱抗弯强度，使抗弯强度略低于抗剪强度，可采用设置分体柱的方式进行人为削弱。也就是在柱子中间沿着竖向设缝的方向将短柱分成几个分体柱，对分体柱的各柱肢分开配筋，在柱肢之间设置连接键，这样可以增强初期刚度和后期耗能能力。经过优化设计后，能够有效降低抗震作用对整体建筑结构的破坏。