論建筑抗震的設(shè)計理念與設(shè)計方法

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抗震狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力特點分析

1.地震作用下結(jié)構(gòu)最突出的表現(xiàn)即變形大。如柱的二階效應(yīng)附加彎矩顯著增大，不但會引起構(gòu)造縫相鄰的結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，甚至?xí)鹫麄€結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、傾覆，使結(jié)構(gòu)本身存在極大的安全隱患。另一方面，非結(jié)構(gòu)部件也會隨之收到嚴(yán)重的損壞?？拐鹪O(shè)計的核心即控制變形的總量。

2.動力響應(yīng)和變形性能的影響因素。建筑結(jié)構(gòu)是否具有實際的抗震能力而保證穩(wěn)定和安全，結(jié)構(gòu)物的靜承載力只是決定性因素的一部分，在地震作用中對于結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的實際荷載作用并不是理想模型中靜荷載那樣的定值，而是結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度和質(zhì)量共同產(chǎn)生的一個綜合慣性力。剛性大，變形性能相對較小的，延性差的結(jié)構(gòu)無法消耗點容許范圍內(nèi)地震產(chǎn)生的能量，建筑物產(chǎn)生的地震反映顯著增大，對建筑整體損害大，穩(wěn)定性極為降低。反之，則能夠最大程度的避免地震對結(jié)構(gòu)的損傷，保證整體不會出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，對于部分受損構(gòu)件也可保證在可控范圍以內(nèi)。

3.屈服后臨界狀態(tài)。雖然地震達到或超出建筑抗震設(shè)計設(shè)防烈度的情況不多見，但考慮此種臨界狀態(tài)是非常必要的，按我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計原則與設(shè)計方法，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件均會產(chǎn)生不同程度的損傷，尤其在節(jié)點受力較大的位置普遍出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，且部分裂縫寬度較大，構(gòu)件局部表面出現(xiàn)剝落和破損，受拉區(qū)鋼筋屈服且有殘余變形，但仍不至于使整個結(jié)構(gòu)物發(fā)生破壞性倒塌。

4.地震作用分項系數(shù)選取的科學(xué)性與實用性。前文指出，在一般地震作用下隨著與震源距離的變化，水平和垂直地震作用在不同范圍內(nèi)變化的特點，然而地震作用其實在實際發(fā)生時并無明顯的界限而是無規(guī)律的發(fā)生綜合運動，對于表內(nèi)的分項系數(shù)選取需要反復(fù)計算與驗算。

5.低周期的荷載反復(fù)作用?；谝话愕卣鹱饔贸掷m(xù)時間并不是很長，地震發(fā)生時建筑結(jié)構(gòu)在水平方向往復(fù)振動，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪力與彎矩甚至軸力出于正負(fù)交變狀態(tài)，其交變反復(fù)次數(shù)不多，意即周期較低，由此可見在設(shè)計時考慮鋼筋混凝土構(gòu)件在低周期交變荷載的作用下滯回的特性是非常必要的。

高層抗震的設(shè)計理念與設(shè)計方法

正在應(yīng)用中的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）中對于結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計要求其應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震的能力；對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力。處于不同設(shè)防烈度地震條件下，建筑結(jié)構(gòu)物受損后經(jīng)修理可用時需要滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗算,要求建筑的彈性變形不超過規(guī)定的彈性變形限值，而地震作用接近本地區(qū)設(shè)防烈度條件下結(jié)構(gòu)屈服進入非彈性變形階段時要求結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有阅芰?，?yán)格避免發(fā)生不可修復(fù)的脆性破壞，最后當(dāng)遭遇最高級別設(shè)防烈度的罕遇地震情況下，要求建筑結(jié)構(gòu)的變形能力使其彈塑性變形不超過規(guī)定的彈塑性變形極值，最大程度的保證不發(fā)生倒塌等危及生命的嚴(yán)重破壞。

通過以往經(jīng)驗的總結(jié)：三個水準(zhǔn)烈度的地震作用水平,按三個不同重現(xiàn)期來劃分。多遇地震:50年重現(xiàn)期63.2%,重現(xiàn)期50年；基本地震（設(shè)防烈度地震）:50年重現(xiàn)期10%,重現(xiàn)期475年；罕遇地震:50年重現(xiàn)期2%～3%,重現(xiàn)期1641～2475年,平均約為2000年。

以不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生的設(shè)計方法通過科學(xué)實踐證明是合理的，其具體設(shè)計方法如下:首先，采用一般烈度為極限進行初步計算，根據(jù)相應(yīng)的地震作用動參數(shù)計算建筑結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震效應(yīng)，合理選擇承載力抗震調(diào)整系數(shù)，結(jié)合中重力荷載與風(fēng)荷載進行組合計算，從而設(shè)計構(gòu)件截面。接著，保持地震動參數(shù)不變來計算建筑結(jié)構(gòu)層間的位移角，并采用適合本地區(qū)的抗震構(gòu)造措施增大建筑結(jié)構(gòu)的變形能力、塑性耗能和延性。最后，采取最高條件下的地震動參數(shù)來計算建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角，這里尤其指出要注意抗震薄弱環(huán)節(jié)如柔弱樓層處，保證在各種狀態(tài)下的計算都滿足層間位移角小于抗震規(guī)范的極限值。并附加必要的抗震構(gòu)造以滿足最終水準(zhǔn)的防倒塌要求。

不規(guī)則建筑空間建模的抗震設(shè)計要求

（1）平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時應(yīng)計入扭轉(zhuǎn)影響。各層豎向構(gòu)件彈性水平位移極值與層間位移宜小于等于樓層兩端水平位移和層間位移均值的1.5倍（最大層間位移遠(yuǎn)小于規(guī)范限值時可放寬要求）；樓板局部不連續(xù)或凹凸不均時要考慮平面內(nèi)剛度的實際變化；綜合上述兩種情況的要根據(jù)實際情況分塊計算扭轉(zhuǎn)位移比，對扭轉(zhuǎn)較大的部位應(yīng)采用局部內(nèi)力增大系數(shù)。

（2）豎向不規(guī)則而平面規(guī)則剛度小的樓層的地震剪力應(yīng)乘以不小于1.15的增大系數(shù)，其薄弱層應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進行彈塑性變形分析。豎向抗側(cè)力構(gòu)建不連續(xù)時需考慮實際情況乘以1.25～2.0的增大系數(shù)；樓層承載力存在突變時，薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%。

（3）平面豎向均不規(guī)則的建筑采取不低于5.1和5.2要求進行有針對性的具體設(shè)計。

建筑結(jié)構(gòu)抗震措施

概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)抗震驗算固然重要，建筑限高、提高結(jié)構(gòu)延性也不容忽視，將構(gòu)造措施合理融入，建立設(shè)計地震力與結(jié)構(gòu)延性要求相互協(xié)調(diào)的雙重設(shè)計指標(biāo)與方法,強柱弱梁,強剪弱彎和強節(jié)點弱構(gòu)件在提高結(jié)構(gòu)延性方面的作用已得到普遍的認(rèn)可。（本文作者：宋傳洲 單位：亞泰都會(北京)城市規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司）