建筑设计中对建筑抗震设计的研究_建筑结构抗震设计李国强

  地壳活动是地球不可避免的自然现象,随着现代工业的发展,人类对自然界的开采和挖掘的范围越来越大,对自然环境的破坏程度不断加深,诸多因素的综合作用下,使得地壳活动日益频繁,地震时有发生。在这样的环境下,加强对建筑的抗震性设计,保证建筑的质量和可抗震度,才能在地质灾害发生时将损失减到最低。
  
  一、建筑抗震设计过程中需要注意的问题
  
  地震造成人员伤亡的直接原因是地表的破坏和建筑物、工程设施的破坏与倒塌。建筑设计是否考虑抗震要求,从总体上起着直接的控制主导作用。因此,我们在建筑抗震设计过程中特别要注重以下几个问题:
  1、建筑体型设计的相关问题
  建筑体型包括建筑的平面形状和主体的空间形状的设计。震害表明,许多平面形状复杂,如平面上的外凸和凹进、侧翼的过多伸悬、不对称的侧翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破坏。唐山地震就有不少这样的震例。平面形状简单规则的建筑在地震中未出现较重的破坏,有的甚至保持完好无损。沿高度立体空阆形状上的复杂和不规则在地震时都会造成震害。特别是在建筑结构刚度发生突变的部位更易产生破坏。因此在建筑体型的设计中,应尽可能地使平面和空间的形状简洁、规则;在平面形状上,矩形、圆形、扇形,方形等对抗震来说都是较好的体型。尽可能少做外凸和内凹的体型,尽可能少做不对称的侧翼和过长的伸翼。在体型布置上尽可能使建筑结构的质量和刚度比较均匀地分布,避免产生因体型不对称导致质量与刚度不对称的扭转反应。
  2、建筑平面布置设计的相关问题
  建筑物的平面布置在建筑设计中是十分重要的部分,它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距离、内墙的布置、空间活动面积的大小、通道和楼梯的位置、电梯井的布置、房间的数量和布置等,都要在建筑的平面布置图上明确下来。而且,由于建筑使用功能不同,每个楼层的布置有可能差异很大,建筑平面上的墙体,包括外围填充墙、内隔墙、有相应强度和刚度的非承重内隔墙等等布置不对称,墙体与柱子分布的不对称、不协调,使建筑物在地震时产生扭转地震作用,对抗震很不利。有的建筑物,其刚度很大的电梯井筒被布置在建筑平面的角部或是平面的一侧,结果在地震中造成靠电梯一侧建筑物的严重破坏。这是因为电梯井筒具有极大的抗侧力刚度,吸引了地震作用的主要部分。有的建筑物,在平面布置上一侧的墙体很多,而另一侧的墙体稀少,这就造成平面上刚度分布的很不对称,质量分布也偏心,使结构的受力和变形不协调,导致扭转地震作用效应,带来局部墙面的破坏。有的建筑物,如底层为商场的临街建筑,临街一侧往往不设墙体,而其另一侧则有刚度很大的墙体封闭,两侧在刚度上相差很多,也将在地震时引起扭转地震作用,对抗震不利。还有的建筑平面布置上,经常出现内隔墙不对齐或中断,使刚度发生突变和地震力传递受阻,对抗震也带来不利,客易引起结构的局部破坏。建筑平面布置设计对建筑抗震关系很大,从概念上要解决的一个核心问题是:建筑平面布置设计上要尽可能做到使结构的质量和刚度分布均匀,对称协调,避免突变,防止产生扭转效应。在建筑平面布置的总体设计上要尽可能为结构抗侧力构件的合理布置创造条件,使建筑使用功能要求与建筑结构抗震要求融合成一体,充分发挥建筑设计在建筑抗震中的作用。
  3、屋顶建筑的抗震设计注意事项
  在高层和超高层建筑设计中,屋顶建筑是一个重要的设计部分。从近几年对一些高层建筑抗震设计审查结果来看,屋顶建筑存在的主要问题,一是过高,二是过重。这样的屋顶建筑加大了变形,也加大了地震作用。对屋顶建筑自身和其下的建筑物的抗震都不利。屋顶建筑的重心与下部建筑的重心不在一条线上,且前者的抗侧力墙与其下楼层的抗侧力墙体上下不连续时,更会带来地震的扭转作用,对建筑物抗震更不利。为此。在屋顶建筑设计中,宜尽量降低其高度。采用高强轻质的建筑材料和刚度分布比较均匀、地震作用沿结构的传递比较通畅,使屋顶重心与其下部建筑物的重心尽可能一致;当屋顶建筑较高时,要使其具有较好的抗震定性,使屋顶建筑的地震作用及其变形较小,而且不发生扭转地震作用。
  4、建筑上应满足的设计限值控制问题
  根据大量震害的经验总结,现行《建筑抗震设计规范》(GBJll―89)对房屋建筑在建筑设计中应考虑的一些抗震要求的限值控制提出了规定。这些规定,建筑设计应予遵守:一是房屋的建筑总高度和层数;二是对房屋抗震横墙问题和局部墙体尺寸的限值控制。
  
  二、国外抗震建筑设计实例及先进技术
  
  1、现代轻型木结构建筑
  轻型木结构是北美、新西兰以及日本等国家低层和多层住宅采用的主要结构形式。这种类型的结构主要是以钢筋混凝土或砌体为基础,上部结构采用规格材和木基结构板材以及其他工程木产品,其特征类似箱型结构。上部结构与基础之间通过锚栓连接。楼屋盖和剪力强墙形成结构的主要抗侧力体系。地震时,水平地震力通过横向水平构件即楼盖和屋盖传至每层剪力墙,每层剪力墙将所受地震力相加传至底层剪力墙并传递到基础。为保证这条传力途径的安全可靠,所有的构件必须有可靠的刚度和强度。对此.美国现代建筑规范对轻型木结构的抗震设计都有详细的设计规定。北美历史上的几次大地震的经验表明,在满足规范要求的前提下,轻型木结构因其自身质量轻、强度高以及结构的高次超静定等特性,均表现出良好的抗震性能。
  2、隔震技术
  据有关记载,隔震概念最早由日本和合浩藏在1881年提出,而在此之前,在世界范围内已经存在一些古建筑,如我国的故宫、日本的镰仓大佛等。这些早期的隔震建筑多是采用滚木或滑石片作为隔震元件,但是历经多次地震仍保存完好。现代意义上的隔震技术始于20世纪60~70年代,一般都由隔震装置、阻尼器以及地基微振动和风反应控制装置等部分组成,必要时还设有完全保险构造,与早期的隔震系统相比,性能上更加可靠、功能上更加完善。在这方面,日本、美国,加拿大、法国、新西兰等经济发达国家居于领先地位,并相继建成大量隔震建筑物。这些隔震建筑中有的已经接受了地震考验,都显示了较好的隔震效果。目前,隔震技术越来越为广大的工程人员和社会所接受。
  
  总结:
  
  人类到目前为止无法准确预报地震,但是我们可以通过切实可行的抗震计算和构造构造措施来减轻地震灾害对建筑结构的破坏,保证人民群众的生命财产安全。随着我国经济建设的发展和科技的进步,抗震设计规范也需与时俱进,进行及时的修订和完善,如何保证建筑大震不倒,如何衡量大震下结构抗震性能是一项艰巨而迫切的任务。以人为本,生命至上,建筑安全更是重中之重。这就要求建筑设计的抗震理念也要不断发展,比如具备更高安全效益的隔震和消能减震设计方法和技术就应该得到更广泛的工程应用。