关于建筑结构设计中的抗震设计分析

2018-02-14安少杰

建材与装饰 2018年49期

安少杰

（铜仁市建筑勘察设计院有限公司贵州铜仁 554300）

在建筑结构设计工作中，抗震设计实际上是一个十分重要的内容，其设计质量和效果对建筑整体安全有直接影响，必须引起相关设计人员的高度重视，切实根据结构实际情况制定有效的抗震设计措施，以此保证结构抗震设计的合理性与可行性。

1 材料和体系

我国建筑高度超过150m的建筑，所用结构体系，均为其它国家常用体系。但在地震区，主要采用钢结构，我国混合结构和钢筋混凝土约占90%，从抗震角度讲，还未经受太大考验。我国对混合结构有不同的看法，存在很大的争论。之所以采用这种结构，主要是因为其用钢量少于钢结构，还能缩减柱子的截面，业主容易接受。在混合结构中，内筒需要承受至少80%的剪力，部分可以超过90%。因结构的重点是核心筒，在变形控制方面需要将结构位移限值作为设计基准；因内筒有较大高宽比，侧向移动很大，采用钢框架来减小这种侧向移动，除了会增加结构整体负担，还难以发挥最佳效果，需要增加刚度来满足规范要求；为保证安全，现行规范对框架提出了其承担的剪力需要达到底部剪力1/4，最终导致钢材实际用量大幅增加；对混凝土筒而言，其轴向压力和高度呈正比关系，为满足延性要求，需要增加筒壁厚与配筋，使实际用钢量同样明显增加。另外，因钢柱和内筒结构竖向变形性能有所不同，温度和徐变等会使结构产生附加内力；从构造角度讲，部分结构为有效增加结构刚度，把内筒和钢梁做成刚接，在增加施工操作难度的同时，降低连接可靠度，对加工精度相差极大的构件严格按照要求进行连接是很困难的，通常无法实现刚接[1]。

采用核心筒结构体系，能节省一定量的钢材，但可以节省多少，需要进行更深入的分析。基于我国基本国情，已不再是能节省材料才最好。针对混合结构，其抗震性能和提高性能而采取的有效措施需要有深入的认识。比如，某结构高度在30～40层范围内，内筒和外框架的侧向变形偏差与竖向变形偏差较易协调，该结构体系较为合理；如果结构高度更高，则要仔细设计，设计的合理性和所用措施要进行认真研究。另外，该体系内筒结构以钢骨混凝土为宜，确保钢骨和钢梁能可靠连接。

筒中筒结构体系以钢筋混凝土为主，在国外，尤其是地震区是非常少见的。对于密柱深梁框筒，要达到梁铰屈服是有很大难度的。对此，采用该结构体系时，应对框筒能否达到梁铰进行深入考虑，确认能否达到延性要求。应注意，为便于设计，在相关规范中针对不同设计条件都给出了一定简化，工程师应根据不同情况进行有针对性的分析与判断[2]。

2 构件的变形能力和轴压比

对于采用钢筋混凝土结构体系的建筑，一般为了对柱轴压比进行控制，需要增加柱截面，但其纵向钢筋采用构造配筋，即便为高强混凝土，柱截面也不会有太大的减小。轴压比主要和塑性变形能力有关，而变形能力还会对结构延性造成很大影响。如果柱处在小偏压的实际受力状态，混凝土一旦被压碎将失去承载能力，减小了塑性变形能力。现行规范提出，对于三级抗震柱，其轴压比限值是对称配筋柱数值偏压的界限。要向放宽这一限值，需要减小柱的延性。然而，需要注意以下两个情况：①在框架中如果可以做到强柱弱梁，并且梁具有一定岩性，则柱不会进入屈服，可对这一限值予以放松；②很多高层建筑的以下几层柱尽管长细比在4以内，但可能不是短柱，当剪跨比在2以内时才算短柱。另外，即便能对限值进行调整，增大也会受到限值，柱截面不会因为限值的增加而有所减小。对此，在抗震设计中能否使用这一结构体系还需要进一步的商榷。

剪力墙也存在变形能力方面的问题，相关研究表明，如果剪力墙受到压弯作用，和柱相同，若处在小偏压实际状态，墙体延性相对较差，而且即便处于大偏压实际状态，如果轴压比相对较大，则受压区边缘处的应力相对较高，若混凝土无约束或现有的约束不足，混凝土会产生竖向裂缝，严重时将产生压碎，导致构件失去变形与承载能力。相关试验表明，除轴力之外，所有对受压区高度有直接影响的因素，都会对剪力墙自身变形能力造成影响。

在当前的设计规范当中，未提出轴压比限值，并且边缘处构件实际配筋量和墙体实际受力状态没有直接关系。造成轴压比相对较大的部位，其约束箍筋梁不足，而轴压比相对较小的部位，其约束箍筋量却较多。相关研究表明，在设计规范中对上述要求做明确规定是极为必要的。

对有抗震需求的建筑，钢骨混凝土积极有利，除了可以减小柱的截面，减薄墙厚，而还能提高结构抗震性能。我国已经投入大量研究与实践，同时编制了相应的规程，预计采用这种结构的建筑将越来越多。同样，钢管混凝土也能减小柱的截面，但其传力性能和节点构造还需要进一步分析与研究[3]。

3 以位移为基础的抗震设计

在现行抗震设计工作中，通常是将承载力作为基础进行的。表示为，采用弹性方法对结构处于小震条件下的位移和内力进行计算；根据组合能力对构件的截面进行验算，保证结构具有足够承载能力；而位移限值则是使用过程中的要求，能对非结构构件予以保护；结构自身延性与耗能水平需要采取构造措施来获得。对构造措施而言，它的目的在于防止结构在大震过程中发生倒塌，但很多设计人员都无法掌握其实际性能。

从过去的地震灾害中可以看出，结构产生倒塌与破坏的原因为变形超过预期，超出构件可以承受的极限。以位移为基础的抗震设计，应开展定量分析，保证结构自身变形能力可以满足受到地震作用后的要求。在设计中所指的预期地震，主要指的是大震。所以除了要对构件承载力进行验算，需要对位移延性比进行严格控制；以构件变形和结构位移之间的关系为依据，能确定构件实际变形量。同时，以截面应变实际分布与大小为依据，还能确定具体的构造要求[4]。

确定大震条件下结构层间位移角及其移值，是抗震设计关键内容，其本质在于确定最大震害程度，并实现地震后结构可以正常使用的目标。基于不同目标进行的设计是有很大不同的。如果大震后建筑可以正常使用，或仅作简单的维修即可使用，则位移角限制将较严格，构造尺寸及配筋应较大；如大震中结构可以破损，则可适当放松要求。在现行规范中，框架受到大震作用后，其位移角限值等于1/50，此时，柱将出铰，整体结构遭到严重的破坏，失去使用功能，但不会倒塌[5]。

那么在大震条件下位移限值多少为最佳，要考虑以下两个问题：①抗震投资，大震重现期至少有2千年，建筑设计基准期只有50年；②针对不同种类的结构体系，位移角和结构破坏间应明确关系，做量化分析。其中，第一点和基本国情有关，而第二点则需要开展深入研究。

对于钢筋混凝土，其层间位移角实际能力及其和结构破坏程度之间的关系，主要和塑性铰区具有的变形能力存在直接关系。对于截面变形能力，主要由受压区实际高度决定。混凝土可以达到的最大压应变，和箍筋约束力有关，也就是箍筋形式及含箍特征值。基于此，塑性铰区截面上存在的约束箍筋，需要根据变形能力具体要求来确定。

以高宽比在10以上，配筋为对称形式的剪力墙为例，通过试验可知，如果顶点处位移的实际延性比等于3，并且截面和受压区之间的相对高度在0.12以内，则无需在墙端处采用约束构件；如果压区高度等于0.28，则要设置长度为墙肢截面长度20%的约束构件，且含箍特征值应能达到0.3；如果压区高度超过0.28，则需要更大的约束作用范围和更高的含箍特征值，否则将难以达到预期目标[6]。

从钢筋混凝土结构角度讲，确定塑性铰区中的约束箍筋过程中，其变形能力必须满足超出变形要求。当前在我国设计规范中要求的建筑抗震等级，有按照要求对配筋构造进行区分的模型，但和预期的定量分析及量化要求还存在很大的距离，应切实加强这一方面的分析研究。为做好以位移为基础的抗震设计，首先要对普通结构发生的变形和配筋之间的关系进行分析，因此完成根据变形要求来设计构件；然后对结构达到弹塑性后和普通构件之间的关系进行分析。但这要求在小震计算的基础上，按照大震开展变形设计，即二阶段的结构抗震设计。为使这一设计更好的应在实际工程中，还要分析和解决很多问题，包括层间位移交和结构发生的破坏之间的关系，截面性能和构件变形之间的关系，不同重要性结构对破坏程度提出的要求怎样区别，实用且可靠的弹塑性研究程序，将研究成果转化成容易投入应用的设计方法和计算方法[7]。