基于抗震理念的房屋建筑結構設計
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摘要:在經歷數次大地震后，人們越來越關注建筑的抗震性能。工程實踐表明在建筑結構的設計過程中,設計人員只有抗震概念清晰,構造措施得當,應用合適的結構分析軟件三者有機結合才能取得比較理想的結果,在這個過程中抗震構造重于結構計算。本文概述了建筑業的發展歷程，重申了房屋建筑的抗震理念和設計思想，提出了結構抗震設計方法。
關鍵詞:房屋建筑;抗震;結構設計;方法
1我國房屋建筑的結構形式
目前，我國房屋建筑的結構形式主要有以下幾種：
?。?）以磚石為主要建筑材料的砌體結構；
(2) 以鋼筋和混凝土為主要建筑材料的鋼筋混凝土框架結構、鋼筋混凝土框架―剪力墻結構、鋼筋混凝土剪力墻結構；
（3）以鋼材為主要建筑材料的鋼結構以及鋼與鋼筋混凝土的組合結構。
砌體結構和框架結構多見于多層建筑，鋼筋混凝土剪力墻結構多用于高層住宅；框架結構或框架―剪力墻結構多用于公共建筑，砌體結構或鋼筋混凝土剪力墻結構則多為住宅。上述各種結構形式的抗震性能（指結構在大震和小震下的表現各不相同）各有千秋，框架―剪力墻結構和鋼筋混凝土剪力墻結構的抗震性能較好，而框架結構和砌體結構的抗震性能相對差一些。如何更好地增強房屋建筑結構的抗震性能，特別是在罕遇的強震作用下的防倒塌能力，應是建筑工程抗震研究的重點。
2 房屋建筑結構抗震設計
2.1 建筑結構抗震規范
建筑結構抗震規范實際上是各國建筑抗震經驗帶有權威性的總結,是指導建筑抗震設計(包括結構動力計算,結構抗震措施以及地基抗震分析等主要內容)的法定性文件它既反映了各個國家經濟與建設的時代水平,又反映了各個國家的具體抗震實踐經驗。它雖然受抗震有關科學理論的引導,向技術經濟合理性的方向發展,但它更要有堅定的工程實踐基礎,把建筑工程的安全性放在首位,容不得半點冒險和不實。正是基于這種認識,現代規范中的條文有的被列為強制性條文,有的條文中用了“嚴禁,不得,不許,不宜”等體現不同程度限制性和“必須,應該,宜于,可以”等體現不同程度靈活性的用詞。
2.2 抗震措施
在對結構的抗震設計中,除要考慮概念設計、結構抗震驗算外,歷次地震后人們在限制建筑高度,提高結構延性(限制結構類型和結構材料使用)等方面總結的抗震經驗一直是各國規范重視的問題。當前,在抗震設計中,從概念設計,抗震驗算及構造措施等三方面入手,在將抗震與消震(結構延性)結合的基礎上,建立設計地震力與結構延性要求相互影響的雙重設計指標和方法,直至進一步通過一些結構措施(隔震措施,消能減震措施)來減震,即減小結構上的地震作用使得建筑在地震中有良好而經濟的抗震性能是當代抗震設計規范發展的方向。而且,強柱弱梁,強剪弱彎和強節點弱構件在提高結構延性方面的作用已得到普遍的認可。
2.3 房屋建筑的抗震設計理念
我國《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)對建筑的抗震設防提出“三水準、兩階段”的要求,“三水準”即“小震不壞,中震可修,大震不倒”。當遭遇第一設防烈度地震即低于本地區抗震設防烈度的多遇地震時,結構處于彈性變形階段,建筑物處于正常使用狀態。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續使用。因此,要求建筑結構滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態驗算,要求建筑的彈性變形不超過規定的彈性變形限值。當遭遇第二設防烈度地震即相當于本地區抗震設防烈度的基本烈度地震時,結構屈服進入非彈性變形階段,建筑物可能出現一定程度的破壞。但經一般修理或不需修理仍可繼續使用。因此,要求結構具有相當的延性能力(變形能力)不發生不可修復的脆性破壞。當遭遇第三設防烈度地震即高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震時,結構雖然破壞較重,但結構的非彈性變形離結構的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發生危及生命的嚴重破壞,從而保障了人員的安全。因此,要求建筑具有足夠的變形能力,其彈塑性變形不超過規定的彈塑性變形限值。
三個水準烈度的地震作用水平,按三個不同超越概率(或重現期)來區分的:多遇地震:50年超越概率63.2%,重現期50年;設防烈度地震(基本地震):50年超越概率10%,重現期475年;罕遇地震:50年超越概率2%-3%,重現期1641-2475年,平均約為2000年。
對建筑抗震的三個水準設防要求,是通過“兩階段”設計來實現的,其方法步驟如下:第一階段:第一步采用與第一水準烈度相應的地震動參數,先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應,與風、重力荷載效應組合,并引入承載力抗震調整系數,進行構件截面設計,從而滿足第一水準的強度要求;第二步是采用同一地震動參數計算出結構的層間位移角,使其不超過抗震規范所規定的限值;同時采用相應的抗震構造措施,保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段:采用與第三水準相對應的地震動參數,計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節)的彈塑性層間位移角,使之小于抗震規范的限值。并采用必要的抗震構造措施,從而滿足第三水準的防倒塌要求。
2.4 房屋建筑結構的抗震設計方法
我國的《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)對各類建筑結構的抗震計算應采用的方法作了以下規定:高度不超過40m,以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構,以及近似于單質點體系的結構,可采用底部剪力法等簡化方法;除1款外的建筑結構,宜采用振型分解反應譜方法;特別不規則的建筑、甲類建筑和限制高度范圍的高層建筑,應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算,可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。
2.5 我國抗震設計思路中的部分不足
與國外規范相比，我國抗震規范在對關系的認識上還存在一定的差距。歐洲和新西蘭規范按地震作用降低系數（“中震”的地面運動加速度與“小震”的地面運動加速度之比）來劃分延性等級，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美國UBC規范按同樣原則來劃分延性等級，但在高烈度區推薦使用高延性等級，在低烈度區推薦使用低延性等級。而目前我國將地震作用降低系數統一取為2.81，而且還把用于結構截面承載能力設計和變形驗算的小震賦予一個固定的統計意義。對延性要求則并未按R-μ關系來取對應的，而是按抗震等級來劃分，抗震等級實質又主要是由烈度分區來決定的。這就導致同一個R對應了不同的μ，從而制定了不同的抗震措施，這與R-μ關系是不一致的。這種思路造成低烈度區的結構延性要求可能偏低的結果。
3.建筑抗震設防新標準
目前，我國建筑物的抗震設防標準一般設在6度到9度，目前全國絕大部分地區是7度。汶川地震后，我國對《建筑工程抗震設防分類標準》和《建筑抗震設計規范局部修訂》進行了修正，新《標準》按照“對學校、醫院、體育場館、博物館、文化館、圖書館、影劇院、商場、交通樞紐等人員密集的公共服務設施，應當按照高于當地房屋建筑的抗震設防要求進行設計，增強抗震設防能力”的要求，提高了這些建筑的抗震設防類別。對部分地區的設防烈度進行了變更，如將都江堰原來的抗震設防烈度7度提高到了8度，青白江和龍泉驛從以前抗震設防烈度6度提高到7度。筆者建議有關部門基于全國范圍的地質勘察資料的基礎上，對全國各地區的抗震設防標準進行修正，并逐步提高，而不單僅對汶川、玉樹等近期發生地震的地區。
4合理的建筑施工和加固措施
4.1合理設計
設計單位應當按照抗震設防要求和工程建設強制性標準進行抗震設計，并對抗震設計的質量以及出具的施工圖設計文件的準確性負責。首先，房建場地的選擇應避開地震時可能發生地基失效的松軟場地，應選擇堅硬場地。其次，綜合運用抗震原則，以剛度、承載力和延性為主導目標，多道防線剛柔結合，使結構具有多道支撐和抗水平力的體系，同時保證結構體型簡單，結構傳力和受力途徑直接，整體結構和結構構件共同作用。第三，設計中要力圖使從地基傳入結構的振動能量為最小，使結構具備足夠大的、適當的承載能力、延性和耗能能力，以及以減少地震作用下的位移和扭轉的剛度。第四，結構布置要力求使剛度、質量、延性、幾何尺寸等規整、對稱、均勻，避免突然變化。另外，地震是一場災難，為最大限度地保護人民以及整個社會的利益，確保我國國民經濟持續穩定增長，建筑行業在考慮增強房屋建筑抗震能力的同時，也應高度重視由地震引發的次生災害（最主要的就是火災）及地質災害。因此，房屋設計中有必要增加結構抗火設計，同時基礎和地基的設計也應充分考慮到地基變形對房屋安全的影響。
4.2正確施工
合理的抗震設計必須通過高質量的施工才能起到抗御地震的作用，只有把好抗震設計和施工兩道關才能有效地提高建設工程的抗震性能。施工圖審查單位應當將房屋建筑抗震設防作為專項審查內容，對施工圖抗震設防質量負責。建設單位、施工單位應當選用符合施工圖設計文件和國家有關標準規定的材料、構配件和設備。施工單位應當按照施工圖設計文件和工程建設強制性標準進行施工，并對施工質量負責。工程監理單位應當按照施工圖設計文件和工程建設強制性標準實施監理，并對施工質量承擔監理責任。
4.3房屋加固
對房屋建筑進行加固改造，也是增強房屋建筑抗震性能的有效手段。對于木結構房屋的抗震加固應根據實際情況，采取減輕屋蓋重力、加強構件連接、加固木構架、增砌磚抗震墻、增設柱間支撐等措施；對于土石墻房屋的加固，則可根據實際情況采取加固墻體、加強墻體連接、減輕屋蓋重力等措施；對于多層砌體結構的加固，則可采取拆砌或增設抗震墻、修補和灌漿、外加柱加固、面層或板墻加固、增設支撐或支架加固、柱、墻垛采用現澆鋼筋混凝土套加固、設置鋼拉桿、長錨桿、增設圈梁、構造柱等方法；對于多層鋼筋混凝土結構的加固，則可采取單向框架宜加固為雙向框架，或采取加強樓、屋蓋整體性且同時增設抗震墻、抗震支撐等抗側力構件的措施；框架梁柱采用鋼構套、現澆鋼筋混凝土套加固，或貼鋼板加固；增設鋼筋混凝土抗震墻或翼墻加固等方法。幾十年來，對房屋建筑的抗震加固，除了傳統的增設鋼筋混凝土構造柱和圈梁、夾板墻、抗震墻、鋼支撐、鋼拉桿、鋼構套，以及擴大受力構件截面等方法之外，還開發應用了高強鋼絞線、高強結構膠、碳纖維布、聚合物砂漿等材料和預應力技術，使我國的建筑結構加固技術達到了國際先進水平。
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