谈建筑抗震的“概念设计”

　　摘要：地震活动是一种随机的、破坏性很大的振动，它的复杂性和不确定性难于把握，要想掌握建筑物所遭遇的地震得特性与参数目前很难做到。而建造良好结构抗震性能的决定因素就是长期抗震经验经验的总结，也就是“概念设计”。
关键词：结构抗震；概念；设计；
地震活动是一种随机的、破坏性很大的振动，它的复杂性和不确定性难于把握，要想掌握建筑物所遭遇的地震得特性与参数目前很难做到。同时在结构的设计分析方面，对结构的空间作用、非弹性性质、材料实效，阻尼变化等诸多因素的影响，也存在着不确定性。而建造良好结构抗震性能的决定因素就是长期抗震经验经验的总结，也就是“概念设计”（ConceptualDssign）。它强调，在工程的开始阶段就掌握能量输入、结构体型、体系等几方面，找到抗震的不利因素，进行必要的计算和必要的加强措施，以满足抗震的设防要求。主要表现在以下几个方面：
1.场地的选择
避开抗震的危险地段，一般指地震时可能造成崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，以及地震烈度为8度以上的地震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。
选择对抗震有利的地段，一般指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土。对抗震的不利地段，就地形而言，一般是指条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，河岸和边坡边缘，就场地土而言，一般指软弱土，易液化土，故河道、断层破碎带、以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。而当无法避开时，应采取适当的抗震加强措施，应根据抗震设防类别、地基液化等级，分别采取加强地基和上部结构整体性和刚度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施；当地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、新近填土和严重不均匀土层时．应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响．采用桩基、地基加固和加强基础和上部结构的处理措施；对于地震时可能导致滑移或地裂的场地，应采取相应的地基稳定措施。基础设计时，同一结构单元不宜设计在性质截然不同的地基土上，也不宜部分采用天然地基部分采用桩基，不宜部分采用端承桩部分采用摩擦桩：高层建筑宜设置地下室，避免采用局部地下室。
2.建筑的平立面
建筑物的平、立面布置宜规则、对称，质量和刚度变化均匀，避免楼层错层。道理很清楚，简单、对称的结构容易估计其地震时的反应，容易采取构造措施和进行细部处理.所以针对不对称结构，在抗震设计时应采取加强措施：周边构件的强度和刚度不对称，布置时应在总体上减小刚度偏心，计算时要充分估计薄弱侧的较大位移及构件的内力和变形。建筑外形对称但抗侧力结构不对称，可用抗震缝把结构分隔成简单、规则的单元。
3.结构选型
结构选型涉及的内容较多，应根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，经技术、经济条件比较综合确定。单从抗震考虑，良好的结构形式应具备：①延性系数高②强度/重力比值大③匀质性好④正交各向同性⑤构件的链接具有整体性、连续性、和较好的延性。所以常见的结构形式根据抗震的性能排列顺序为：钢结构、型钢混凝土结构、混凝土-钢混合结构、现浇钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、装配式钢筋混凝土结构、砌体结构。
4.设置多道抗震防线
一次大的地震，能造成建筑物破坏的强震持续时间少则几秒，多则几十秒，甚至更长。这样长时间的地震动，一个接一个的脉冲对建筑物产生多次往复式冲击，造成积累式破坏。若建筑物采用的是单一的结构体系，仅有一道抗震防线，该防线一旦破坏后，接踵而来的持续地震动，就会促使建筑物倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震卓越周期相近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。第一道防线的抗侧力构建在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道防线乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在第一道防线的选择上，框架-抗震墙、框架-支撑、筒体-框架、筒中筒等双重抗侧力体系中，框架、筒体、抗震墙、竖向支撑、以及砌体填充墙等承重构件都可以充当第一道防线主力构件，率先抵御水平地震作用的冲击。多道抗震防线的设置原则：①优先采用具有多道抗震防线的结构体系。②纯框架采用强柱弱梁的延性框架。③利用赘余构件增加结构的抗震防线。
5.刚度、延性的匹配
房屋是纵、横向承重构件和楼盖组成的一个具有空间冈Ⅱ度的结构体系，其抗震能力的强弱取决于结构的空间整体刚度和整体稳定性。
现浇钢筋混凝土楼板及屋盖具有整体性好、水平刚度大的优点，是较理想的抗震构件，不但可消除滑移、散落问题，增加房屋的整体性，增大楼板的刚度，而且对平面上墙体对齐的要求也可予以适当放宽，因作为以剪切变形为主的砌体结构，层间变形是可控制的。平面上，当上下墙体不对齐时，现浇楼板及屋盖能起到一定的传递水平力的作用，因此，采现浇楼、屋盖是一种较好的增强楼房结构空间刚度和整体稳定性的方法，在适当的部位增设构造柱，并配置些构造钢筋，也能达到增强结构整性的作用；另外，设置配筋圈梁可限制散落问题，增强空间刚度，提高结构整体稳定性，从而提高房屋的抗震性能。同时结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形，因此，地震作用下，结构的延性与结构的强度具有同等重要的意义。为了使钢筋混凝土结构在地震引起的动力反应过程中表现出必要的延性，就必须使塑性变形更多地集中在比较容易保证良好延性性能或者具有一定延性能力的构件上。具体为：①、选择一个可接受的塑性变形机构。现在普遍使用“粱柱铰机构”即是通常所说的“强柱弱梁”。②、通过人为增大各类构件的抗剪能力，使其不致在强烈地震作用下，在结构延性未发挥出来之前出现非延性的剪切破坏，通常的做法是用剪力增大系数增大梁端、柱端、剪力墙端、剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点处的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪控制截面控制条件，进行验算和设计。具体措施也有两类，一类是直接对一跨梁两端截面的顺时针或反时针方向的组合弯矩值乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得梁端剪力；另一类是沿顺时针或反时针方向求得一跨梁两端截面按实际配筋能够抵抗的弯矩，对其乘以增大系数，再与梁上作用的竖向重力荷载代表值一起从平衡关系中求得粱端剪力。③、通过相应的构造措施，保证可能出现塑性铰的部位具有所需的塑性转动能力和塑性耗能能力。通常通过箍筋加密，限制轴压比等措施来给予保证。
6.确保结构的整体性
结构的整体性是保证结构各部件在地震作用下协调工作的必要条件。结构的整体性必须做到：①结构应具有连续性；②构件间的可靠连接。结构的连续性在现浇钢筋混凝土结构上主要表现为施工质量的好坏，施工不当会使结构的连续性遭到消弱甚至破坏。构件间的可靠连接在采用预制梁、柱的装配式钢筋混凝土框架结构上，主要为节点四面大梁的顶面和底面钢筋，均需弯折锚入现浇混凝土节点区内。因钢筋密集，箍筋设置困难，混凝土不易振捣密实，节点混凝土与上层柱的底面更难保证紧密结合，从而节点的强度低于被连接的梁、柱。地震时往往因节点大的抗剪强度不足、钢筋锚固失效，节点过早地发生破坏，以致原来的刚接框架转变为铰接的激动构架。所以，高烈度地震区不宜采用全装配式钢筋混凝土框架。
7非结构部件处理
非结构部件指的是结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件。如内隔墙、楼梯踏步板、框架填充墙、建筑外围墙板等。在地震的作用下，这些部件或多或少的参与工作，从而能改变整个结构的刚度、承载力和传力路线，产生出乎预料的抗震效果，或者造成未曾估计到得局部震害。
非结构构件的处理措施：①建筑幕墙等尽量考虑结构在地震中的变形，并采用可靠的连接措施，建筑非结构构件的预埋件锚固部位应采取加强措施，以承受建筑非结构构件传给主体的地震力。②墙体材料：优先采用轻质材料。③刚性护墙沿纵向宜均匀对称布置，与主体可靠连接，能适应结构不同方向的层间位移。④各类项棚的构件与楼板的连接应能承受项棚悬挂重物和有关机电设备的自重和地震附加作用，其锚固承载力应大于连接件的承载力。
8.结束语
综上所述，建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的概念，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿了整个过程。而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此如何准确、合理的运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，对于不同的建筑、不同的情况应区别对待，从而寻求最合理的抗震设计。
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