关于民用建筑抗震结构设计的研究

陈业平

【摘要】结构系统规划，是不经由详细数值分析，考虑抗震性能目标的高低而确定结构系统型式、结构配置、基础形式、材料，经由经验与简便设计确定结构初步尺寸、规则性与不规则性、预期降伏与消能机制等，需设计者的经验、直觉和判断。本文从结构系统规划、抗震建材的配置与抗震补强、民用建筑抗震设计施工经验三个方面着手，对民用建筑抗震结构设计的相关议题进行了探讨。

【关键词】民用建筑；抗震结构；设计

1结构系统规划

美国IBC相关规范以及国内建材设计规范，对国内现行抗震设计规范的结构系统与高度限制、平面与立面不规则性限制等提出研修方案，并规定各类结构系统的破坏机制。主要包括如下部分内容：一是，加强砖造、木造、SRC的设计宜配合建材设计相关规定。涉及规范不允许新建建筑物采用钢筋混凝土造部分韧性抗弯矩构架（IMRF），但需要评估既有IMRF的抗震性能时，确保R=3.2；钢造斜撑构架系统与场铸钢筋混凝土剪力墙系统，高度限制为50m，但若是在任一平面下斜撑或剪力墙的配置满足以下所列的条件，则高度限制可以提高到75m：斜撑构架或剪力墙在任一立面中，其抵御的不含扭矩效应的地震力不得超过总横力的50%，二是，由斜撑构架及剪力墙抵御的地震力中，由扭矩效应造成的地震力不得超过20%；目前国内尚无挫屈束制支撑构架与钢造韧性桁架建材设计规范，若主管机关允许采用其他可信理论进行建材设计时，R与高度限制应参考相关资料，无相关资料者，应采用相应设计规范提供的韧性容量与高度限制。不规则性限制主要增加极度扭转不规则性。对弱层的定义，除了原定义为该层强度与该层设计层剪力的比值低于其上层比值80%以外，增加破坏机制中有单一楼层或多层楼层各柱上、下端均出现塑铰的情形，便于检核。

抗震性能设计规范应具有弹性，提供建筑设计人员发挥的空间，特殊建筑物采用规范规定以外的未定义结构系统时，应根据可信理论自行初步设计后，检核抗震性能目标与标准满足要求即可。

2抗震建材的配置与抗震补强

抗震建材的配置影响整体建筑的偏心、刚性因素甚大：从另一个角度而言，一栋正确配置抗震建材的建筑物，能充分发挥各部位结构的强度，避免应力集中造成建筑破坏；而抗震补强则针对原本结构弱点予以补强，同样可达到强化整体结构稳定性，使各部结构能发挥更高的效能，确保建筑的抗震性能。本节以立面抗震设计、剪力墙配置以及结构补强三个方面开展相关探讨。

一是，立面抗震设计。事实上，高层建筑抗震建材最理想场所当属立面，这也是立面作为抗震建材（如墙、斜撐、深梁、桁架等）设置时，对于建筑动线机能及室内空间等影响较少。抗震建材的设置不限于建筑物内，反之在周边外围上若处理得当则可获理想的效果。高层建筑立面抗震系统可分为两大类：一为连贯性均匀的立面格梁构架（facade grids）；其二为整体立面抗震结构（tota lfacade structures）。

二是，剪力墙的配置。剪力墙为建筑结构上一种相当具有抗震效能的方式，也是一般集合住宅常使用的抗震构件之一；剪力墙非单指钢筋混凝土剪力墙而言，实际上具有抗震效果的均可视为抗震壁，如钢筋混凝土剪力墙、桁架墙、刚构架墙、钢骨斜撑墙等。同时，配置得宜的剪力墙可以相当程度地强化整体结构的抗震能力。高层建筑的结构系统配置应遵循下述3项原则：平面要求简单且具规则性；抗震建材要求对称；建筑物整体须具有抵抗扭矩的能力。对称而东西则为不对称，为使质量中心与抗震中心（即刚心）能够尽量接近一致，故将剪力墙偏向左侧配置。在剪力墙采用不连贯配置时，应特别注意连续部分建材的补强。非不得已剪力墙应上下贯通形成连续性的立面配置。剪力墙配置不宜过高。构架结构系统不足以单独承受横力时，一般均采用剪力墙与构架合併抵御横力最为普遍。着种情况下。构筑剪力墙与楼板应一体浇置而成，其连接处的设计应特别注意需具有足够传递剪力的能力。独立的剪力墙若太高，不但不能帮助构架抵抗地震力，反会增加构架的负担。

三是，结构补强。针对结构上也破坏的部位，增加板厚以及补强钢筋。因功能上的特殊需求，不便于接面处设置伸缩缝时，则应在结构体应力集中处，增加板厚并施置补强钢筋，补强钢筋的施置不仅限于楼板，交接处的梁、柱等也应相对加强。

3民用建筑抗震设计施工经验

各国民用建筑的设计、施工虽大同小异，但因应国情也有诸多细节设计与施工上的差异，对此本文提出几点经验证具有抗震效能的方式与相关专业者共同探讨。

一是，建筑物在1F开放空间区域，尽量增加墙量比或将柱断面放大，以减少弱层（软脚）效应发生。建筑物的非结构性RC墙尽量能上下连续，且至少延伸到1F，以防止立面劲度的不规变化，导致弱层效应发生。结构系统上尽量避免短柱、短梁情况发生，以防止应力集中而造成破坏，柱最好全区配置紧密箍。在配筋上，勿采用水淬钢筋，因降伏强度（Fy）太高，会降低韧性，而#5以下的小号数钢筋可采用高拉钢筋，以减少钢筋用量，增加与混凝土之间握裹强度及施工性。梁跨度太大时，须先检讨梁的挠度，增加梁断面及减少梁荷重单位面积（即间距缩短），尽量避免单跨梁、使梁挑出或加柱处理，则梁中央、端部的弯矩会较小。

二是，外墙及隔户墙应当以15-18公分厚钢筋混凝土为原则，并配置双层双排钢筋，可强化整体结构的抗剪能力及防水、防火功能；因早期建筑物房屋外墙，大部分会龟裂渗水，主要因为外墙多为12公分厚，且排单层单排钢筋加上水管、电管的配置，而外有太阳及内有空调的热涨冷缩导致龟裂渗水。建筑立面高宽比为3：1较好，地震侧力发生时容易产生偏心而倒塌，否则应另外处理，即打桩等。重心与刚心差太多，尤其转角处店铺骑楼外缘作挑梁没有作柱子，地震时容易重心不稳倒塌。

三是，我国民用建筑常采用1-3楼挑空造成细长柱，因此在柱间加梁，使细长柱变为短柱及加粗柱子，能有效提升整体建筑的结构强度。钢筋混凝土品质提升建议：由历次地震后建筑物倒塌探讨中得知混凝土强度不足（灌浆加水）及柱子端部箍筋间距太大，以致柱端混凝土压碎爆裂倒塌，所以按相应法规规定柱子端部箍筋间距要低于10cm，确保绑扎。混凝土强度不够，现场灌浆加水严重，建议修改法规，混凝土试体采样时，应在混凝土刚灌好的板、梁、柱等各处各自采样试体。控制管理水来源处使现场无法乱加水。或在工厂预铸，运送至现场施作接合，能在工厂有效率控制品质；另有剪力墙、强梁弱柱、土壤液化等现象的问题，均须依照规定详加设计并按图例进行施工。

【参考文献】

［１］王如平.钢筋混凝土剪力墙结构的抗震概念设计[J].科技风，2008（01）．

［２］汪玉欣.高层建筑结构体系浅谈[J].黑龙江科技信息，2011（04）．

［责任编辑：薛俊歌］