我國是一個地震多發(fā)的國家，從上世紀(jì)唐山地震開始，現(xiàn)在其危害已經(jīng)深入人心。很多土木工程的研究者們也把他們畢生的精力用到了建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計上。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計雖然還有很長的路要走，但是行者們從未停下腳步。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計包含了兩個設(shè)計范疇，即概念設(shè)計和參數(shù)設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計主要針對地震的不確定性和近似性，從概念上，特別是從結(jié)構(gòu)總體上考慮抗震的工程決策；建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計主要是采用二階段的抗震設(shè)計方法(地震作用計算、構(gòu)件強度驗算和結(jié)構(gòu)變形驗算等)實現(xiàn)三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。兩者是相輔相成的。作為一個正確的抗震設(shè)計，必須重視抗震概念設(shè)計，靈活而又合理地運用抗震設(shè)計思想，才能不致陷入盲目的計算工作。
建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基本要求
1、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)類型
常見的鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、框架一支援結(jié)構(gòu)、框架一抗震墻板結(jié)構(gòu)、簡體結(jié)構(gòu)以及巨型框架結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能的優(yōu)劣取決于結(jié)構(gòu)的選型，進行實際工程設(shè)計時，需要綜合考慮多種因素進行方案的優(yōu)化，在優(yōu)化過程中確定其適宜的結(jié)構(gòu)體系。
2、鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)布置原則
鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置的選擇關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和經(jīng)濟性。和其他類型的建筑結(jié)構(gòu)一樣，多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)盡量采用規(guī)則的建筑方案。當(dāng)結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則時，可按實際需要在適當(dāng)部位設(shè)置防震續(xù)，從而形成多個較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。由于鋼結(jié)構(gòu)可耐受的結(jié)構(gòu)變形大于混凝土結(jié)構(gòu)，一般來說，不宜設(shè)抗震縫，必須設(shè)置時，抗震縫寬應(yīng)不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的1.5倍。
3、 鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高度和高寬比
根據(jù)結(jié)構(gòu)總體高度和抗震設(shè)防烈度確定結(jié)構(gòu)類型和最大適用高度。結(jié)構(gòu)的高寬比是影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗震性能的重要參數(shù)，它對結(jié)構(gòu)剛度、側(cè)移和振動形式有直接影響。高度比指房屋總高度與平面較小寬度之比。高寬比值較大時，一方面使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水平位移及p—a效應(yīng)，還由于傾覆力矩使柱產(chǎn)生很大的軸向力。因此，需要對鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大高寬比制定限值，不宜大于合理的限值，超過時應(yīng)進行專門研究，采取必要的抗震措施。
建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一般方法
鋼材基本屬于各向同性的均質(zhì)材料，且質(zhì)輕高強、延性好，是一種很適合于建筑抗震結(jié)構(gòu)的材料，在地震作用下，高層鋼結(jié)構(gòu)房屋由于鋼材材質(zhì)均勻，強度易于保證，所以結(jié)構(gòu)的可靠性大；輕質(zhì)高強的特點使得鋼結(jié)構(gòu)房屋的自重輕，從而所受地震作用減?。涣己玫难有允菇Y(jié)構(gòu)在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。但是，鋼結(jié)構(gòu)房屋如果設(shè)計和制造不當(dāng)，在地震作用下，可能發(fā)生構(gòu)件的失穩(wěn)和材料的脆性破壞或連接破壞，使鋼材的性能得不到充分發(fā)揮，造成災(zāi)難性后果。因此高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震設(shè)計就顯得非常重要和必要。
1、建筑場地
在選擇建筑場地時，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況和工程地質(zhì)的有關(guān)資料，對建筑場地做出綜合評價。宜選擇對建筑抗震有利的地段，如開闊平坦的堅硬場地土或密實均勻的干硬場地土等地段，避開對建筑抗震不利的地段，如軟弱場地土、易液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘，非巖質(zhì)的陡坡、采空區(qū)、河岸和邊坡邊緣等地段。
2、地基和基礎(chǔ)
為了避免建筑物不均勻沉降而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂隙、甚至傾斜，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件過早進入塑性區(qū)，同一結(jié)構(gòu)單元不應(yīng)設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上，不宜部分采用天然地基，部分采用樁基；地基有軟弱粘性土、可液化土或嚴(yán)重不均勻土層時，應(yīng)加強基礎(chǔ)的整體性和剛性。
3、平面和立面布置
為了避免地震時建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中或塑性變形集中而形成薄弱環(huán)節(jié)，建筑平面、立面布置宜規(guī)則、對稱，質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻。但不設(shè)置抗震縫時，應(yīng)采用與實際情況相符合的計算模型，設(shè)置抗震縫時，應(yīng)將建筑物分割成規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。我國《抗震規(guī)范》對高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大適用高度和鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大高寬比都有規(guī)定：
（1）結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；應(yīng)有多道抗震設(shè)防防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力或喪失對重力的承載能力；應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和耗能能力；應(yīng)具有合理的剛度分布和承載力分布，避免因局部削弱或突變而形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中，對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其承載能力。
（2）在抗震結(jié)構(gòu)體系中，應(yīng)使結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接部位具有良好的延性，避免脆性破壞，提高抗震結(jié)構(gòu)的整體變形能力。因此，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)合理控制尺寸，防止局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)，如對梁翼緣和腹板的寬厚比和高厚比都作了明確規(guī)定。此外，還應(yīng)加強各構(gòu)件之間的連接，以保證結(jié)構(gòu)的整體性，抗震支承系統(tǒng)應(yīng)保證地震作用時結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
（3）對于女兒墻、圍護墻、雨篷、封墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)使其與主體結(jié)構(gòu)有可靠地連接和錨固，避免地震時倒塌傷人，產(chǎn)生附加震害；圍護墻、隔墻等與主體結(jié)構(gòu)的連接，應(yīng)避免設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)破壞；應(yīng)避免吊頂塌落及懸吊較重的裝飾物墜落，不可避免時應(yīng)采取可靠措施。
（4）建筑物在強震作用下的表現(xiàn)，既是對抗震設(shè)計的檢驗，也是對施工質(zhì)量的檢驗。施工質(zhì)量的好壞，直接影響鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力。因此，抗震結(jié)構(gòu)對材料和施工質(zhì)量的特別要求，應(yīng)在設(shè)計文件上注明。建筑物的施工要特別注意符合圖紙上合理的抗震要求，注意材料選擇，確保施工質(zhì)量。
建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計常見問題
1、缺乏巖土工程勘察資料或資料不全。有的在擴初設(shè)計階段還缺建筑場地巖土工程的勘察資料，有的在擴初設(shè)計會審之后就直接進入了施工圖設(shè)計，有的在規(guī)劃設(shè)計或方案設(shè)計會審后就直接進入了施工圖設(shè)計。無巖土工程勘察資料，設(shè)計缺少了必要的依據(jù)。
2、結(jié)構(gòu)的平面布置。外形不規(guī)則、不對稱、凹凸變化尺度大、形心質(zhì)心偏心大，同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度不均勻不對稱，平面長度過長等。
3、一個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)采用兩種不同的結(jié)構(gòu)受力體系。如一半采用砌體承重，而另一半或局部采用全框架承重或排架承重；底框磚房中一半為底框，而另一半為磚墻落地承重［這種情況常發(fā)現(xiàn)在平面縱軸與街道軸線相交的住宅，其底層為商店，設(shè)計成一半為底框磚房(有的為二層底框)，而另一半為磚墻落地自承，造成平面剛度和豎向剛度二者都產(chǎn)生突變，對抗震十分不利］。
4、底框磚房超高超層。如1996年，對在杭設(shè)計單位作的一次專題普查，發(fā)現(xiàn)有69幢底框磚房超高超層。新項目亦普遍存在此現(xiàn)象，1999年某地塊住宅竣工交付使用驗收中發(fā)現(xiàn)有三幢底框磚房超高超層，甚至有超三層的。
5、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)掌握不當(dāng)。有一些項目擅自提高了設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，按照《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)(gb 50223-95)》劃分應(yīng)屬六度設(shè)防的，但設(shè)計中提高了一度按七度設(shè)防，提高了建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，將會增加工程投資；有的項目嚴(yán)格應(yīng)按七度采取抗震措施的，但設(shè)計中又按六度設(shè)防，減低了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，不利抗震。
6、結(jié)構(gòu)的豎向布置。在高層建筑中，豎向體型有過大的外挑和內(nèi)收，立面收進部分的尺寸比值b1/b不滿足≥0.75的要求。
7、抗震構(gòu)造柱布置不當(dāng)。如外墻轉(zhuǎn)角處，大廳四角未設(shè)構(gòu)造柱或構(gòu)造柱不成對設(shè)置；以構(gòu)造柱代替磚墻承重；山墻與縱墻交接處不設(shè)抗震構(gòu)造柱；過多設(shè)置抗震構(gòu)造柱等。
8、框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻抗震構(gòu)造措施不到位。砌體外圍護墻砌筑在框架柱外又沒有設(shè)置抗震構(gòu)造柱，框架間砌體填充墻高度長度超過規(guī)范規(guī)定要求又沒有采取相應(yīng)構(gòu)造措施。
9、結(jié)構(gòu)其他問題。有的底層無橫向落地抗震墻，全部為框支或落地墻間距超長；有的僅北側(cè)縱墻落地，南側(cè)全為柱子，造成南北剛度不均；有的底層作汽車庫，設(shè)計時橫墻都落地，但縱墻不落地，變成了縱向框支；還有的底框和內(nèi)框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設(shè)計，其中幾乎很少有縱墻。不少地方都采用鋼筋混凝土內(nèi)柱來承重以代替磚墻承重，實際上將磚混結(jié)構(gòu) 演變?yōu)閮?nèi)框架結(jié)構(gòu)，這比底框磚房還不利，因內(nèi)框磚房的層數(shù)、總高度控制比底框磚房更嚴(yán)，因此存在著嚴(yán)重抗震隱患。更為嚴(yán)重的是這種情況并未引起目前大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師的重視。
10、平面布局的剛度不均?？拐鹪O(shè)計要求建筑的平、立面布置宜規(guī)正、對稱，建筑的質(zhì)量分布和剛度變化宜均勻，否則應(yīng)考慮其不利影響。但有的平面設(shè)計存在嚴(yán)重的不對稱：一邊進深 大，一邊進深小；一邊設(shè)計大開間，一邊為小房間；一邊墻落地承重，一邊又為柱承重。平面形狀采用l、π形不規(guī)則平面等，造成了縱向剛度不均，而底層作為汽車庫的住宅，一側(cè)為進出車需要，取消全部外縱墻，另一側(cè)不需進出車輛，因而墻直接落地，造成橫向剛度不均。這些都對抗震極為不利。
11、防震縫設(shè)置。對于高層建筑存在下列三種情況時，宜設(shè)防震縫：①平面各項尺寸超過《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程(jgj 3-91)》中表2.2.3的限值而無加強措施；②房屋有較大錯層；③各部分結(jié)構(gòu)的剛度或荷載相差懸殊而又未采取有效措施；但有的竟未采取任何抗震措施又未設(shè)防震縫。
12、墻體局部尺寸限值。在抗震設(shè)計規(guī)范中對此有專門的限制性規(guī)定，這是從宏觀上保證砌體房屋安全度的有效措施。但發(fā)現(xiàn)有承重窗間墻最小寬度＜1.0m(六度設(shè)防)；承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離＜1.0m；非承重墻外墻盡端至門窗洞邊的最小距離＜1.0m， 甚至只有幾十厘米等情況，片面追求開敞明亮卻忽視了房屋的抗震安全。
13、同一結(jié)構(gòu)單元基礎(chǔ)形式不同。有關(guān)規(guī)范、規(guī)程中規(guī)定了“同業(yè)結(jié)構(gòu)單元中不宜部分采用天然地基，部分采用樁基”，“高層建筑在同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，不宜采用局部箱形基礎(chǔ)”，但發(fā)現(xiàn)有高層建筑部分采用樁基，部分又采用天然地基(主要指裙房部分)；同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，部分有地下室，部分無地下室的情況。
14、基礎(chǔ)的埋置深度。有關(guān)規(guī)程明確規(guī)定，采用天然地基時基礎(chǔ)埋置深度不小于建筑高度的1/12，采用樁基時可不小于建筑高度的1/15，樁的長度不計在埋置深度內(nèi)。但發(fā)現(xiàn)有的設(shè)計人員忽視了基礎(chǔ)的埋置深度必須滿足地基變形和穩(wěn)定的要求，在選擇天然地基時或是樁基時都達(dá)不到上述規(guī)定的要求。
15、結(jié)構(gòu)抗震等級掌握不準(zhǔn)。有的提高了，而有的又降低了，主要是對場地土類型、結(jié)構(gòu)類型、建筑高度、設(shè)防烈度等因素綜合評定不準(zhǔn)造成。
16、閣樓問題。其內(nèi)收外墻不是支撐在墻上，而是支撐在樓板上，又未采取任何其他抗震構(gòu)造措施。