抗震理念以及民用建筑结构设计对策

2023-01-02王道任

河南建材 2022年2期

王道任

山东省龙口市城乡建设事务服务中心（265701）

0 前言

在我国民用建筑的结构设计中，抗震设计是建筑整体稳定性的关键，同时也是我国民用建筑设计的难点。我国近几年大中城市外来人口急剧增长，城市的用地紧张，高层民用住宅的需求量越来越大。对于高层住宅而言，抗震理念设计显得更加重要。这就要求设计师根据各个结构的特点，进行不同形式的抗震设计。

1 抗震理念的发展目标

我国自古以来就经常发生地震灾害。如我国在1976年发生的唐山大地震，就是亚欧板块与环太平洋板块地震带挤压而产生的，包括后来的四川省汶川大地震，这些地震深深影响着我国人民的心理。我国政府于是痛定思痛，重新调整了民用建筑的抗震理念。因为在我国的地震中，建筑物损坏、倒塌问题比较常见，究其原因都是由于建筑结构设计中的抗震设计水平比较低而引起的。我国的抗震理念的发展目标在政府的支持下，逐渐朝着规范化、制度化发展。在现阶段民用建筑的抗震设计中，目标是以民用建筑所在地区的地震大小作为参考，来改变建筑结构中主要构件来提升承载力，并且通过设计师的结构计算来分析建筑物的弹性变形情况，经过多重要素的分析，最后确定抗震设计的标准。我国对现阶段的抗震理念有着明确要求，要保证民用建筑可以抵抗第三水准的地震，从而最大程度避免地震对建筑稳定性构成负面影响[1]。

2 民用建筑的结构特征

2.1 砖木结构

民用建筑的砖木结构是最简单的结构形式，顾名思义，主要包含砖结构和木结构两种形式。具体而言，主体、墙体等一些负责竖向承重的结构，主要为砖材质；而屋架、楼板等横向结构，则为木材质。砖木结构有着易准备、费用低等优势，不会为工程带来较大成本投入，一般都用于农村房屋的建设。在结构表现上，砖木结构空间分隔方便，施工工艺简单，施工材料单一，不过砖木结构建造出的房屋，往往使用年限较短，并且极容易被地震摧毁，造成居住者有人财两失的危险。

2.2 框架结构

框架结构作为结构形式的一种，在民用建筑中并不鲜见。框架结构是由框架梁、柱共同承担主要的荷载。框架中的非承重墙，在功能上主要用于分隔空间。这些后砌墙只需要承担自身的重量，不承受其他任何方式的负重。框架结构的设计优势相对明显，墙体材料一般都是采用新型环保材料，自身重量不大，而且建筑内部平面布置十分灵活，在需要较大的空间时，框架结构往往可以表现出色。但是框架结构在抗震方面有着明显的缺点，原因是框架结构本质上为柔性结构框架，不具备较大侧向刚度，往往在强地震下，框架结构在水平上发生的位移比较大，对建筑物整体稳定性易造成较大负面影响。

2.3 钢结构

近年来，随着我国建筑行业的发展，钢结构的建筑越来越多地用于居民楼建设。钢结构是指主体材料为钢材质，包括柱、梁都是钢材质的结构形式。钢结构由于其自身的轻便以及施工的简便，大规模用于我国厂房、住宅等的建设。钢结构也是各种建筑结构中抗震性能较好的。地震强度低时建筑基本不会被破坏，当地震强度高时也能保证整个建筑不会出现大面积坍塌。但是钢结构的施工费用比较高，防火性能比较差。

2.4 砌体结构

砌体结构在我国农村地区相对较为常见，又称砖混结构。一般的砌体结构适合开间规整、层数不多的建筑。如果建筑层数较少，房间面积不大，则砌体结构适用性较强。砌体结构由于承重构件主要为砌体，遇到地震时，较容易发生脆性破坏，坍塌的可能性较大，最终发生不可挽回的经济损失和生命危险[2]。

3 不同建筑结构在地震中的形态

3.1 砖木结构在地震中的形态

砖木结构一般没有抗震设防结构措施。由于木屋架、檩条等结构连接不稳定，受到地震力作用，容易对砖木结构产生横向和竖向的牵引力，破坏不同构件的正常连接，导致结构整体或部分倒塌，造成重大灾害。

3.2 框架结构在地震中的形态

框架结构的箍筋钩长度太短，在地震环境下很容易导致锚固效应失效，从而令混凝土约束力受到影响，无法正常保持支持钢筋的纵向力。例如底层填充墙，窗下的墙将框架的长柱变为短柱，从而导致剪切破坏。结构间变形缝间距一般过小，地震时建筑物发生扭转变形，造成相互碰撞。框架结构的建筑物一般不用，因此不会出现比较严重的后果，但也会对建筑物外立面的美观性造成较大影响，极大增加建筑使用者心理负担，影响震后使用，框架填充墙损坏严重。

3.3 钢结构在地震中的形态

切割连接的结构件，连接方式无外乎焊接或铆接。若焊缝连接不达标，则节点区域可能存在应力集中和低应力现象，在地震中容易发生连接损坏。梁、柱节点可能出现的失效现象，例如铆接断裂、焊接件错位、加劲肋断裂类型及屈曲、腹板断裂及屈曲等。当地震强度较大时，支座承受反复拉压的轴力，一旦轴力超过构件的屈曲临界力，就会发生失效或失稳[3]。

3.4 砌体结构在地震中的形态

对于刚性楼板的民用建筑，上层损伤较轻，下层损伤较重；对于柔性楼板建筑，上层的损坏较重，下层的破损坏较轻。横向承重建筑的震害比纵向承重建筑轻；固体地基上建筑物的震害轻于软弱地基和不均匀地基；预制楼板结构的损伤较现浇楼板结构大；游廊房屋经常受到地震的严重破坏；房屋两端、转角、楼梯及附属结构震害严重。

可以看出，即使是同样的地震情况，建筑结构也会因自身抗震设计情况，出现不同损伤。因此，抗震应结合不同因素，包括结构类型、地震反应特征、地震破坏模式等提高设计的针对性。

4 基于抗震理念进行民用建筑结构设计方式

高层建筑结构通常会以框架剪力墙体系为主，此类框架结构灵活性较强，刚度和抗震性能整体较好，在面临水平方向力时，框架与剪力墙相互之间可以共同工作。具体而言，竖向载荷主要由框架承担，水平方向的剪力主要由剪力墙承担。在抗震结构设计方面，为防止剪切力破坏墙肢，实现抗震能力的有效提升，可通过将阻尼装置设置于建筑连接缝、支撑、剪力墙等处，通过非线性摩擦滞回变形原理，达到吸收地震能量的目的，减少结构水平方向和竖向地震反应，防止建筑整体结构被进一步破坏。

4.1 合理设置隔震装置

想要合理设置隔震装置，就要明白隔震技术如何使用。隔震技术的应用就是指在基础顶面和上部结构之间，安装一层具有可靠性的隔震层，将基础和上部结构隔离开来，有效控制上部荷载的传递。这就要求设计时根据结构形式及本地区的地震烈度情况选用合理的隔震减震装置。例如，黏弹性条板式减震装置就是一种十分低廉的隔震装置，十分适合我国经济欠发达地区的住宅建设。各种不同的隔震装置中，黏弹性条板式减震装置通常会在框架范围设置，组装方式形似“八”字，能最大程度避免地震波令建筑物出现水平位移的情况，避免建筑物中人身财产安全受到较大威胁。实践证明，黏弹性条板式减震装置建造的价格比市面上的其他减震装置低，而且防震隔震效果更好，在大地震中基本可以保证建筑物的震动强度减少50%，能有效减少地震力。

4.2 建立抗震防线

在抗震设计中，抗震防线的建立是至关重要的一环。例如，在框架剪力墙结构设计阶段，要求建筑整体在小幅和中幅地震波动下不受影响，若连梁结构受到地震影响失效，其他结构同样需要达到承载要求，防止建筑整体出现倒塌情况。另外，相关设计要求规定，应以剪力的20%为标准，控制框架柱剪力要求，也要根据要求放大地震力。这种情况下，就算剪力墙在地震环境中不堪重负，框架柱仍具有一定的承载能力，从而令结构整体稳定性达到要求。抗震防线是预防地震破坏影响的一种重要方式。在做好地震防线的同时，还要根据地震安全性评价体系，提高地震预防政策制定的针对性，通过此前发生地震的数据，采取合理的结构形式，达到抗震设计要求。

4.3 提升民用建筑弱承部位的抗震性能

在民用住宅的房屋设计中，墙体和柱的设计都是按照房屋的抗震需要布置的。屋内的绝大多数地方不可以进行改造，否则就会破坏了整个房屋的整体防震设计，遇到地震时就会发生不可挽回的后果。例如，民用建筑的剪力墙，在剪力墙拆除后，就可能导致该楼层甚至整座建筑的内力重新分布。如果发生强震，有可能会导致整体倒塌。所以，这就要求设计时对重点部位提高抗震措施，尽力加强和保护整个建筑的弱承部位。一些建筑团队往往存在偷工减料的现象，这就要求建筑团队内部要加强监管，严格把控民用住宅的弱承部位[4]。

5 建筑结构抗震设计主要思路

首先，应当通过合理的刚度分布，提高控制的适应性，使在地震情况下建筑物整体梁、墙等结构的变形向非弹性变形过渡，最大程度减少地震能量对建筑整体的影响，避免建筑倒塌。在这种设计思想下，建筑整体结构不仅要达到结构功能的使用要求，而且应保证达到抗震要求。为将抗震设计的局限性降至最低，应将地震重现期纳入考量的各项因素中，进一步规范抗震设计。

其次，通过构造方法加强薄弱环节，这也是抗震设计中各项工作中的重中之重，尽可能提高变形能力，防止薄弱层出现转移现象，从而实现抗震性能的有效提升。

最后，建筑结构性能应达到设计要求。在建筑理念上，从传统重视安全结构，转为重视建筑性能，结合多种因素在设计上体现出创新要求。抗震设计也一样，在设计时应当结合不同目标性能，进一步细化建筑使用要求，在明确建筑产生效益的基础上，提高结构设计的合理性，减少抗震设计的过多投入，有效控制成本，从而提升建筑工程整体质量。

6 民用建筑结构抗震设计理念与工程实例分析

青岛某建筑工程项目地上26层，地下3层，总建筑面积约6万m2。其中地下3层为车库及设备用房。1～3层为商场，4～5层为办公用房，6层为设备转换层，7～26层为住宅层。7层楼用作结构转换层。

建筑总高出地面85 m，以框架剪力墙作为主体结构，柱截面800 mm×1 200 mm、900 mm×1 200 mm，墙厚200～400 mm，裙楼板厚110 mm，住宅板厚100 mm，屋面板厚120 mm，转换层板厚180 mm，梁截面为200 mm×400 mm～250 mm×600 mm，转换层框架梁为400 mm×1 400 mm～500 mm×1 600 mm。

根据有关规范要求，本工程平面及竖向规整性指标中有四项存在不符合现象。

1）扭转不规则性。如果将地震可能产生的偏心影响考虑在内，则应以1.2倍楼层平均值为标准，计算高层建筑竖向构件可能存在的水平位移最大值。该值应为1.2～1.4倍，本工程最大值为1.31，属于Ⅰ类扭转不平顺。

2）不规则凹凸。该T型孔型框架结构平面最大凸出尺寸L=17.25 m，Bmax=41.30 m，比值为41.8%，大于35%。

3）楼板局部不连续。电梯间局部楼板净宽度最小值为3 m，规范要求，楼板净宽度最小值应在5 m以下，符合有关要求。

4）竖向抗侧力构件不连续。框架剪力墙通过转换梁传递到框架柱上，转换梁为Ⅱ类竖向抗侧力构件，不连续，满足相关规范。

从工程实例可以看出，从抗震理念的角度来看，抗震结构设计方法的最终目的是保护生命安全。抗震设计不仅要防止建筑物倒塌，而且要根据建筑物的用途和重要性，有效地控制建筑物受损程度。