前言
一切抗震設(shè)計都是為了最大程度地提高對地震災害的抵抗能力。對于一般程度地震，應保證整體建筑物的完整性和穩(wěn)定性; 對于中等程度地震，應保證在進行簡要修復后可快速恢復使用; 對高等程度地震，應保證建筑物不會發(fā)生坍塌。簡要概括即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。總的來說，抗震設(shè)計應結(jié)合全盤考慮，依照具體情況具體分析，以剛?cè)峤Y(jié)合的原則合理分布各作用力，以“強剪弱彎”的原則設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)從而提高整體穩(wěn)定能力。
1 我國現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論
1) 逆靜力理論。這是20 世紀40 年代發(fā)展起來的抗震設(shè)計理論，在進行抗震作用計算時，假定結(jié)構(gòu)為剛性的，地震力的方向是水平的，作用點在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心上，作用力大小假定為結(jié)構(gòu)的重力乘上一個比例常數(shù)。
2) 反應譜理論。隨著對地震運動特征越來越深入的了解以及對地震情況越來越豐富的反應記錄，在20 世紀60年代發(fā)展起來一種叫做反應譜的抗震理論。這是基于美國加州理工學院的動力理論思想，在那時，科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地震作用主要是一種隨著時間過程的非線性變化，輸入變量為地震加速度，選擇建筑物為多自由度系統(tǒng)，然后模擬計算任意時刻建筑結(jié)構(gòu)對地震產(chǎn)生的應力- 應變反應，從而分析地震狀況。
3) 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念。進入21 世紀以后，我國對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提出了“三水準、兩階段”要求，“三水準”即為“小震不壞，中震可修，大震不倒”，“兩階段”是指，當發(fā)生低于本地區(qū)抗震級別的地震，即第一設(shè)防烈度地震時，建筑結(jié)構(gòu)仍處于彈性變形階段，可以正常使用，通常情況下建筑結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，不需要進行修補即可繼續(xù)使用。因此，在計算參數(shù)中選取的是承載力極限狀態(tài)驗算，并要求建筑結(jié)構(gòu)的變形不超過彈性變形限值。當發(fā)生相當于本地區(qū)抗震級別的地震，即第二設(shè)防烈度地震時，建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)進入非彈性變形階段，可能已經(jīng)發(fā)生外表或內(nèi)力的破壞，可以選擇不修理或者一般修理。然而，建筑結(jié)構(gòu)需保持一定的延展能力，即不發(fā)生不可恢復的脆性破壞。當發(fā)生高于本地區(qū)抗震級別的地震，即第三設(shè)防烈度地震時，建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)進入塑性變形階段，已經(jīng)發(fā)生較為嚴重的破壞，但是還不至于導致建筑物的倒塌，從而可保證內(nèi)在人身安全和物品等資源的完整性。
2 建筑抗震設(shè)計存在的問題
1) 部分建筑物高度超出限制。我國針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的高層建筑物高度有規(guī)范規(guī)定，有明確的高度統(tǒng)一限制。然而，部分開發(fā)商并沒有嚴格執(zhí)行這一規(guī)定，修建超高建筑。當?shù)卣鹜蝗灰u來時，這些不符合規(guī)定的超高建筑物沒有足夠的抵抗能力，使得發(fā)生劇烈震蕩后產(chǎn)生破壞性變形。不僅如此，在地震過后的使用期間，其抗震能力大大削減，剛度等力學特征較之前有很多改變，導致建筑物必須嚴格檢測，甚至重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程預算。
2) 建筑位置不合理。面對越來越多的人口數(shù)量和土地面積不斷減小之間的矛盾，開發(fā)商忽視對建筑物地理位置進行科學合理地選擇，更多的是考慮其商業(yè)價值等短期利益上。實際上，對高層建筑物的選址是有成熟的原則的，應兼具開闊性和平坦性，且土體均勻堅實，避開軟弱土層或沙土易被液化區(qū)段，比如山岳、陡坡、丘陵、采空區(qū)、河岸邊緣等，還應該避開容易發(fā)生泥石流、滑坡、地陷等山體自然災害區(qū)段，或者地震活躍段和地震斷裂帶的明顯位置，以及變電站、火電廠這類危險場所。
3) 選材不科學。對于地震頻發(fā)的地區(qū)，對于建筑材料的選取及對組成的合理搭配至關(guān)重要。我國建筑結(jié)構(gòu)普遍為鋼筋混凝土核心筒，并以結(jié)構(gòu)位移量為主要的參考依據(jù)。當此類型建筑物發(fā)生彎曲變形或者側(cè)移產(chǎn)生較大幅度位移時，小剛度的鋼框架不足以承受由變形或側(cè)移所產(chǎn)生的應力，不僅會增加建筑鋼結(jié)構(gòu)的荷載負擔，還會降低其對抗震性能的效果。通常情況下，解決此問題可以提高鋼筋混凝土核心筒的剛度，改善伸臂結(jié)構(gòu)、增添加強層等。
3 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的有效措施
3. 1 合理選擇建筑位置
在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，選擇建筑位置至關(guān)重要，盡管突如其來的地震可能造成建筑物瞬間灰飛煙滅，合理的地理位置可以有效地提高建筑物的整體抗震能力。地震發(fā)生時候會導致較為強烈的位置錯動，在不同結(jié)構(gòu)、不同性質(zhì)的土體上受侵害程度也明顯不同，如果將建筑結(jié)構(gòu)的位置選擇在不恰當土體之上，不僅會破壞建筑物結(jié)構(gòu)，甚至會引起建筑物的整體坍塌。因此，在為建設(shè)項目選擇場地的時候，應選擇具有一定減緩地震影響的地方，綜合考慮附近的地貌地形狀況，盡量選取在兼具平坦性和開闊性的土地上，保證建筑物所在范圍內(nèi)的土體和地基結(jié)構(gòu)具有較高的密實度、堅硬度和凝結(jié)度等物理相關(guān)性能，可承受各種情況下的荷載組合狀況。如果實在無法避開這些地方，就需要設(shè)計人員發(fā)揮所長，進行合理的改造措施，根據(jù)相應的抗震級別采取地基加固和結(jié)構(gòu)加固，如地樁法等，從而最大限度地減少地震帶來的危害。
3. 2 合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系
在抗震設(shè)計總過程中，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系是非常重要的步驟之一，其中應著重綜合考慮到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和安全性。通過了解建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系、受力體系等，就可以更清晰地了解地震過程，從而有助于提出一些創(chuàng)造性的解決方案，達到抗震的目的。本文總結(jié)歸納出應注意的幾個方面。
1) 建筑結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性�？拐鹪O(shè)計切忌“以偏概全”。在全過程的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，必須具備有效的重力分配能力功能，當面臨突如其來的地震災害時，能夠?qū)⒄�體受到的巨大沖擊力適當分配到各個部位，從而減小局部應力，避免類似“連拱作用”的發(fā)生，保證一個部位出現(xiàn)損壞問題，其他部位尚可保持穩(wěn)定性，從而保證建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性不會受到影響。
2) 地震作用力傳遞途徑。在全過程的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，必須做好具體的地震作用力計算圖，并明確其傳遞途徑至關(guān)重要。譬如，應當以最短的路徑將垂直重力荷載傳遞到豎向結(jié)構(gòu)墻中去，盡量減少局部的巨大沖擊力，保證壓應力的均勻，避免地震來臨時，其巨大沖擊力迅速摧毀整體建筑。此外，建筑結(jié)構(gòu)應明確整體意識，就是各單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計之間應該有明確的連續(xù)性和貫通能力，從而有能力做到對突如其來的變化進行均勻控制和有效轉(zhuǎn)換。
3) 合理的剛度。雖說抗震設(shè)計的原則其一是“剛?cè)峤Y(jié)合”，但恰到好處的剛度水平相對塑性來說一樣重要。否則，如果地震突然發(fā)生，剛度不足的建筑結(jié)構(gòu)可能瞬間產(chǎn)生裂縫，過度的變形隨時間會越來越嚴重，當達到極限變形能力之后甚至導致整體建筑結(jié)構(gòu)的崩塌。因此，良好的承載能力可以抵抗地震帶來的巨大沖擊力，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的內(nèi)力重分布功能，可以有效地吸收和減弱地震帶來的沖擊力能量，保證建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的強度與剛度合理分配。
4) 梁- 柱結(jié)構(gòu)設(shè)計。在抗震設(shè)計中，我們都知道水平力是主要抗力因素，所以用科學合理的抗側(cè)力策略至關(guān)重要。框架的基本組成結(jié)構(gòu)有梁、柱，并通過節(jié)點連接，梁和柱都能承受水平荷載和垂直荷載，屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，并在設(shè)計師筆下靈活的布置建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間。當樓層不高時，使用框架結(jié)構(gòu)是比較科學的，因為水平荷載對建筑結(jié)構(gòu)的作用不顯著。然而在高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載對框架結(jié)構(gòu)的影響較大，內(nèi)力是不均勻分布的，且高樓層中間必然存在較為脆弱的樓層。由于結(jié)構(gòu)的橫截面慣性矩不足，則側(cè)向剛度不足，側(cè)向變形變大，因此，當?shù)卣饋砼R，高層建筑中脆弱樓層將首先達到屈服強度，產(chǎn)生彈塑性變形和應力集中現(xiàn)象。常識可知，地震作用下“梁輕柱重”“樁底輕樁頂重”，除掉短柱中由于較小的剪跨比發(fā)生柱中剪切破壞，一般情況下，長柱發(fā)生柱頂?shù)膹澢�破壞，尤其是角柱和邊柱等邊緣地帶更容易率先發(fā)生破壞。
5) 剪力墻設(shè)計。不同于框架結(jié)構(gòu)，剪力墻是沿橫向、縱向正交布置或者斜向布置，依靠鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受所有的水平力和豎直力，因此，是一種以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)。由于這些特點，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力更大，在地震作用下側(cè)向變形較小，保證建筑結(jié)構(gòu)的整體性較好。剪力墻結(jié)構(gòu)按其內(nèi)力性質(zhì)可分為單肢墻、聯(lián)肢墻、開口墻等。單肢墻和開口墻的截面內(nèi)力特點接近材料力學公式，即沿直線分布規(guī)律，而聯(lián)肢墻是許多墻肢一同工作，地震作用力矩由多個墻肢共同承擔，其破壞順序是梁先達到屈服強度，墻肢再彎曲破壞，最終完全喪失承載能力。由于鋼筋具有較好的延展性，當鋼筋屈服時不僅可以傳遞彎矩和剪力，還可以吸收一定的地震破壞能量。
3. 3 控制扭轉(zhuǎn)效應
除去水平力和豎向力，地震發(fā)生時還伴隨著強烈的扭轉(zhuǎn)效應，不清楚就會導致裂縫、建筑物崩塌、地表波動巨大等不良現(xiàn)象，因此，在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，掌握扭轉(zhuǎn)效應隱藏的能量，控制其帶來的破壞十分必要。首先要測量建筑結(jié)構(gòu)受力的最大位移剛度和最小位移剛度在一定誤差之內(nèi)，確保整體結(jié)構(gòu)位移的同步性。與此同時，設(shè)計時必須要保證與其相關(guān)的各個部位設(shè)計均達到設(shè)計規(guī)范要求，暴露出的任何一個問題都要及時修復和調(diào)整，最大限度的降低扭轉(zhuǎn)效應帶來的不良破壞。
3. 4 保持平面設(shè)計規(guī)則性
本文詳細闡述了當下的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念，是為設(shè)計人員的工作提供準則與標尺，切忌違反有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的有關(guān)規(guī)定。抗震設(shè)計方案是非常講究的，譬如在研究不規(guī)則平面或者豎向不規(guī)則情況時，應當采用三維空間結(jié)構(gòu)進行模型的模擬與計算。我國是歷史悠久的文化大國，講究一切以對稱為美，從各文明古跡可以看出，建筑物大多都是對稱設(shè)計的，平面內(nèi)的對稱不僅有藝術(shù)層面的美感，而且在建筑物的抗震設(shè)計中有舉足輕重的作用。從力學角度分析，依據(jù)對稱性建造的建筑結(jié)構(gòu)，當?shù)卣鹜蝗粊砼R時，地震帶來的巨大沖擊力將均勻地分配到建筑物兩邊。此時，倘若在建筑物兩端設(shè)計合理的抗震防災裝置，恰當設(shè)置梁- 柱剪力墻，對于高層建筑，要保證其具有足夠的剛度，控制扭轉(zhuǎn)效應的不利影響，那么這些設(shè)計就會立即發(fā)揮效果，即有效地均勻分散巨大沖擊力，減少結(jié)構(gòu)物因受不平衡荷載而傾斜甚至倒塌狀況的發(fā)生。因此，建筑物越是簡潔大方、對稱均勻，就越有利于防止地震等自然災害。
3. 5 加強延性設(shè)計
建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性是抗震重要的前提條件。如果建筑物的樓層加高，其剛度逐漸減小，柔度逐漸增加，因此穩(wěn)定性逐漸降低。根據(jù)此原理，對于高層的建筑結(jié)構(gòu)來說，必須保證其具有一定的延性，即變形能力。其次，當?shù)卣鹜蝗粊砼R時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到巨大沖擊力的破壞，在各樓層的水平面受到剪切力，可能發(fā)生相對位移。倘若該建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防等級為二級或者二級以上標準，則可認為建筑結(jié)構(gòu)進入彈塑性變形階段，此時結(jié)構(gòu)物具有相應的承載能力，并且將通過此方式有效地擴散地震帶來的能量。因此，建筑結(jié)構(gòu)具有恰當?shù)淖冃文芰�，即具有一定的延性是十分必要的。�?jīng)各種實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果分析得知，對于“強柱弱梁”的強節(jié)點結(jié)構(gòu)，內(nèi)力重分布現(xiàn)象較為明顯，地震能量消散得更快，也就是說抗震性能較為良好。
提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的措施還有很多。在工程的設(shè)計階段，設(shè)計人員必須明確受拉鋼筋最佳配筋率( 介于最大配筋率和最小配筋率之間) ，因為最小配筋率是保證建筑物的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生裂縫，而最大配筋率是保證混凝土的受壓、鋼筋的屈服受拉距離結(jié)構(gòu)物的極限承載狀態(tài)還有一段距離，從而保證結(jié)構(gòu)破壞屬于塑性破壞，在崩潰之前有明顯的預兆。此外，還需要精確地掌握結(jié)構(gòu)強與弱的關(guān)系，既要保證結(jié)構(gòu)物具有足夠的剛度，又要提供建筑物一定的延性以消散地震能量。其次，在硬件設(shè)備方面，可以增加一些軟墊、滑移、擺動等抗震措施。此外，還有一個非常重要的措施，就是設(shè)置多道抗震設(shè)計來有效降低地震作用帶來的災難。倘若建筑結(jié)構(gòu)僅有一道抗震防線，當?shù)卣鹜蝗粊砼R，一旦建筑結(jié)構(gòu)超過其承載能力而遭到破壞，就瞬間崩潰，無法再承受之后可能出現(xiàn)的余震或不良天氣等意外狀況。具體來講，第一道抗震防線就是在工程的設(shè)計階段，采納一些延展性較好的材料和構(gòu)件，然后依次加入強有力的第二道防線、第三道防線等( 依據(jù)具體建筑結(jié)構(gòu)物的抗震設(shè)防等級而定) ，提高結(jié)構(gòu)物多層次抗震性能。
4 結(jié)束語
盡管我國針對建筑行業(yè)的抗震設(shè)計與西方國家相比仍有很大差距，相關(guān)規(guī)范不夠到位，但是具有中國特色的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念正在慢慢發(fā)展與成熟。綜上所述，在對建筑物設(shè)計的同時進行抗震設(shè)計是十分必要的，設(shè)計人員必須持有對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的理念意識，嚴格執(zhí)行有關(guān)規(guī)范，確保做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則。對于現(xiàn)有的有關(guān)抗震設(shè)計的不足，本文進行了詳細的歸納與總結(jié)，希望引起有關(guān)技術(shù)人員的注意和警惕。此外，基于國內(nèi)外成功的抗震設(shè)計理念和經(jīng)驗，本文提出了一些可以提高抗震性能的意見與建議，希望能找到一種既經(jīng)濟又安全的優(yōu)化抗震設(shè)計方案，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性，最大限度保護人民生命安全和財產(chǎn)按全，為我國建筑行業(yè)防災減災方向的發(fā)展再進一步。