论结构抗震概念设计要点

论结构抗震概念设计要点
何利
摘要：地震在破坏建筑物的同时，也将直接危害到人的生命财产安全，伴随的更有对环境的破坏,所以,要抗御和减轻地震灾害，必须对建筑结构进行合理的抗震分析与设计。文章从概念设计入手,提出建筑结构抗震的概念设计一些要点:一、应选择有利的抗震建筑场地；二、要加强地基和基础设计；三、重视建筑设计和建筑结构的规则性；四、减轻建筑物自重。笔者同时给出几点对结构抗震有利的建议,以供参考。

关键词：结构抗震；概念设计；要点；场地；基础；规则性；自重

1 概念设计要点
建筑结构抗震设计的基本要求主要包括概念设计、计算设计和构造设计三个方面。
在土木建筑工程中，概念设计主要考虑以下要点:场地条件和场地土的稳定性；建筑平、立面布置及外形尺寸；抗震结构体系的选取，抗侧力构件布置及结构质量的分布；非结构构件与主体结构的关系及二者之间的锚拉、材料与施工等。现笔者从概念设计入手,对建筑结构抗震的设计要点进行分析探讨,意在抛砖引玉。
2 选择有利的抗震建筑场地
地震造成建筑物的破坏，除地震动直接引起的结构破坏外，场地条件也是一个重要的原因，“重灾区中有轻灾，轻灾区中有重灾”。地震引起的地表错动与地裂，地基土的小均匀沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。因此抗震设防区的建筑工程场地的选择应做到:
(1)应选择对建筑抗震有利的地段，如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土等地段。
(2)应避开对建筑抗震不利的地段，如软弱场地土，易液化土，条件突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘，场地土在平面分布上的成因、岩性、状态明显不均匀（如故河道、断层破碎带、暗埋的塘滨沟谷及半填半挖地基）等地段。当无法避开时，应采取有效的工程场地抗震措施进行排险。
(3)不应在危险地段造建甲、乙、丙类建筑，建筑抗震危险地段，一般是指地震的可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地段，发震断裂带上可能发生地表错位地段。汶川地震中，由于西部地区建设选址主要位于山区，而由山体滑坡、泥石流等次生地质灾害造成的损失尤胜于地震本身的惨痛教训已经给了我们很大警示，加强建筑工程场地的选址工作，选择有利地段，避开危险地段是十分必要的。
根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分的场地类别见表1所示。
表1
等效剪切实波速(m/s) 场地类别
I II III IV
Vse﹥500 0
500≥Vse﹥250 ﹤5 ≥5
250≥Vse﹥140 ﹤3 3～15 ﹥50
V≤140 ﹤3 3～15 ﹥15～80 ﹥80
注:Vse——土层等效剪切波速(m/s)
Vse=d0/t，
式中：d0——计算深度（m）取覆盖层厚度和20m二者的较小值；
t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；
di——计算深度范围内第i土层的厚度（m）；
Vsi——计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s）；
n——计算深度范围内土层的分层数。
建筑场地为I类时，甲、乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；丙类建筑允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施，但抗震设防烈度为VI度时，可按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。另外，场地土的刚度大小和场地土覆盖层厚度是影响建筑物震害的主要因素。震害调查表明，土质越软，覆盖层越厚，建筑物震害越严重反之越轻。
3 加强地基和基础设计
在实际工程中，基础设计的抗震概念可以重点考虑以下几个方面：
(1) 注意基础的选型，加强其整体性的刚性，同一建筑单元不宜设置在性质不同的地基上，也不宜部分采用天然地基，部分采用桩基。高层建筑在同一结构单元内，不宜采用局部箱形基础。同一结构单元内，避免出现部分有地下室，部分无地下室的情况。
(2) 建筑物基础的埋深不宜浅，建筑物基础埋置深度增加，可以增强地基土对建筑物的嵌固作用，从而减小建筑物的振幅，减轻震害，所以，在条件允许时，建筑物的基础应尽可能埋得深一些，并切实做好基槽回填和夯实，使其与基础侧面紧密接触。一般来说，采用天然地基时基础埋置深度不应小于建筑高度的1/12，采用桩基时可不小于建筑高度的1/15，桩的长度不计在埋置深度内。同时基础的埋置深度还必须满足地基变形和稳定的要求
(3) 加强基础和上部结构的整体性，为了加强基础与上部结构的整体作用，基础在室内地坪下宜作内外交圈的基础圈梁，上部结构的构造柱钢筋插入圈梁使构造柱与地面下圈梁连接牢固，当地基土质较差时，还宜在基底布置圈梁，基础应尽可能取直和拉通，避免切断。
(4) 软土地基的基础应有较多的安全储备，宜加强基础的整体性和刚性。
4 重视建筑设计和建筑结构的规则性
建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。
房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。实际工程中，我们应尽量做到：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称、整体性较好，特别注意抗侧刚度很大的钢筋混凝土墙体和芯筒的平面位置应居中和对称、抗震墙宜沿房屋周边布置，以使结构具有较强的抗扭刚度和抗倾覆能力；建筑的立面和竖向抗拉力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐步减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。对平面不规则和竖向不规则类型的建筑结构应按《抗震规范》要求进行水平地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震措施。
对体型复杂，平立面特别不规则的建筑结构，要在适当位置设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元，防震缝要留有足够的宽度，保证两侧上部结构完全分开。理论上，防震缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低建筑物屋顶高度处的垂直防震缝方向的侧移之和。防震缝的宽度应根据设防烈度和房屋高度确定，对多层砌体房屋可采用50～100mm，对混凝土结构房屋可采用100～150mm。钢结构房屋防震缝的宽度不应小于相应混凝土房屋缝宽的1.5倍。当结构需要设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。在高层建筑中，新《高层规程》规定了防震缝的最小宽度，在实际工程设计中当三缝合一设置时，三缝宽度均宜加大。汶川地震中相邻建筑碰撞破坏现象随处可见，震害证明三缝合一时宽度值取值严重偏小，故笔者建议此种缝宽宜加大最小为120mm。
5 减轻建筑物自重
地震时建筑物重量越大，地震力越大，结构越易破坏，屋盖越重晃动越强烈，因此震区房屋在保证正常的使用条件下，结构各部分应做的轻一些。
(1) 减轻楼盖和屋盖自重，尽可能采用轻质材料。震害表明，楼盖和屋盖越重震害越重，但楼盖和屋盖本身破坏的并不多见。
(2) 围护结构要轻，承重墙体更要轻。当墙体自重大时，抗剪程度和抗拉程度都很低，如果没有合理的抗震设计，结构的抗震性能很差，特别是在强地震力的作用下更容易产生破坏，故应注意墙体自重和材料特性。在我国遭遇多发地震的情况下，推广采用加气混凝土砌块等各种轻质墙体砌筑材料，推行墙体材料改革，减轻墙体自重和改善墙体材料特性是一项非常重要的工作。
(3) 屋顶不要做笨重附属物，“鞭梢效应”明显的建筑物易破坏，在工程中尽量不做或少做，如果必须建造，也要做得矮些牢固些，建议用轻质材料组合成凸出物，或用钢材做成钢结构，并进行局部加强设计。
(4) 周期计算是抗震计算的要点。自由体系自震周期的计算公式为:
T=
式中： T——结构体系的自振周期；
∏——常数，取3.14；
m——结构体系的质量；
k——结构体系的刚度，与其自身柔度成反比。
可见，当周期一定时，质量越大，周期越长，自振周期是结构的一种固有属性，它是结构本身的一个很重要的动力特性。在建筑的设计中，尽可能使组成结构的各部分质量要轻，刚度宜大，才能有效地减轻震害。
6 几点建议
(1) 处理好非结构构件与主体结构的关系，可以防止附加震害，减少损失。在人流出入口、通道及重要设备附近要加强非结构构件与主体结构的可靠连接或锚固，避免倒塌伤人或砸坏重要设备；在砌体填充墙与框架或单层厂房柱之间采用柔性连接或彼此脱开，且避免不合理的设置而导致主体结构的破坏。
(2) 抗震结构在材料选用、施工质量，特别是材料的代用上有特殊的要求，因此材料的性能指标应符合规范的要求。在混凝土结构施工中，当缺乏设计规定的钢筋规格型号而需用另外规格型号代替时，应注意不宜以屈服强度高的钢筋代替原设计中的主要钢筋。按承载力相等原则换算时，还应注意由于钢筋的强度与直径改变影响正常使用阶段的挠度和裂缝宽度，以及最小配筋率和钢筋间距等构造要求。
(3) 重视砌体结构圈梁和构造柱的布置。多次震害表明圈梁能极大地减轻震害，圈梁的作用体现在：加强纵横墙体的连接以增强墙体的稳定性和房屋的整体性，限制墙体斜裂缝的开展和延伸；作为楼屋盖的边缘构件，增强楼盖的水平刚度；抵抗由于地震或其它原因引起的地基不均匀沉降而对结构造成的破坏。构造柱对结构抗震也有着极为重要的作用:虽然对提高墙体受剪承载力有限，仅有10％～20％，但和每层圈梁一起形成对墙体的分片约束，显著增强墙体的变形能力和延性，限制裂缝延伸和墙体错位，防止砖墙碎块脱落（此为要害），维持竖向承载能力靠摩擦消耗吸收地震能量。在具体设计中，圈梁和构造柱的设置至少应满足规范要求，建议圈梁最好每层设置，构造柱数量也宜多不宜少，且在承重墙体交叉处均设置，同时注意新《抗震规范》特别修订的“楼、电梯间四角，楼梯段上下端对应的墙体处，外墙转角处”均应设置构造柱。
(4) 结构延性能力。延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。从构件角度来看，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变和破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大，混凝土受压区高度就越大，延性越差；受压钢筋越多，混凝土受压区高度越小，延性越好；混凝土强度越高，受压区高度越低，延性越好。从结构角度来看，延性可用顶点位移或层间极限位移比表示。延性比大的结构，地震作用下结构可通过屈服截面的塑性变形耗散更多的地震能量，避免发生脆性破坏。因此，对于延性框架的设计要做到“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”，对于延性剪力墙的设计要做到“强墙肢弱连梁、强剪弱弯、限制剪压比、限制墙肢轴压比”。
7 结束语
结构抗震设计有许多不确定或不确知的因素，很难做到对结构进行精确的抗震计算，并得到结构在地震作用下的真实反应。因此结构的抗震设计除了必须进行细致的计算分析外，要特别注重结构的概念设计。如采用规则结构，确定明确的计算简图，选取对建筑抗震适宜的建筑场地，设计延性结构，采用轻质高强建筑材料，设置多道抗震设防，加强结构的整体稳定性，重视结构的抗震构造措施等方面，只有这样才能保证结构良好的抗震性能。