探讨混凝土结构在建筑抗震结构设计的应用

摘要： 随着抗震与耗能减震技术的发展， 抗震与耗能减震技术已经从研究领域进入到实际应用阶段，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010） 已经正式编入了关于耗能减震的条文。橡胶支座抗震结构以其安全、稳定和经济的特点成为应用最为广泛的一种抗震技术。本文主要探讨混凝土结构建筑抗震结构设计。

关键词： 混凝土 结构 抗震设计

一、引言

地震每年都要引起巨大的生命和财产损失。人类在抵御地震的历史长河中， 众多科学家与工程师们力图寻求一种既安全、又适用、且经济的房屋耐震体系。前辈们坚持不懈前赴后继的科研工作为我们积淀出了当今土木工程的前沿领域――“工程结构减震控制”新体系。采用抗震方法后，结构整体的柔性大大增加，结构与水平底面运动在很大程度上解除了偶联关系，结构的反应加速度一般要比地面加速度小。它旨在依靠限制而非抵抗地震作用来保护结构不受地震破坏。

二、抗震结构基本方案

抗震层位于基础顶是最基本的抗震构造形式，可最大限度地隔离地震能量， 但为了方便安装和维修抗震装置，抗震层顶部梁底与基础面至少要有0.8m的空间。从建筑功能而言，为了有效利用抗震层顶部的这层楼板，可以安装及维修层直接做成地下室或半地下室，而抗震层就放置在地下室柱顶或墙顶。地下室柱或墙需要承担抗震层的剪力和上部结构竖向荷载与抗震层位移引起的P-Δ效应。为改善构件的受力情况，当水平剪力较大时，可以采用抗震器设置在柱中的做法， 抗震层的剪力和弯矩分别传递到柱或墙的上下端，但柱能变成短柱，且必须考虑柱上端弯矩对上部结构的影响。若有一些特殊的建筑功能要求， 例如， 建筑底层周围没有可移动的空间，或房屋较高，或高宽比较大，或结构上下刚度不均匀等，可采用层间抗震的方式。虽然在日本和我国已有层间抗震的实例，但由于这种情况的动力特性比较复杂，且在地震作用下，抗震层水平位移对抗震层以下部位引起的P-Δ效应和整个结构的倾覆问题比较严重， 而目前对层抗震还没有非常详细的研究，因此《抗震规范》和《规程》建议尽量不要采用层间抗震方案，若必须要采用时，设计人员需进行详细的结构分析并采取可靠措施。

三、结构设缝

基础抗震结构多用于层数30层以下、高宽比较小、上部结构水平刚度较大的结构型式（如砌体结构、框架结构、框剪结构、剪力墙结构等）， 由于抗震层的水平刚度远远小于上部结构的水平刚度，因而在地震作用下结构的水平位移集中在抗震层， 而上部结构的层间位移极小，如果不考虑上部结构的扭转，则上部结构可简化为仅做水平运动的刚体，而抗震层的刚度、阻尼则可近似以抗震结构的刚度和阻尼表示。建筑物由于温度、沉降和防震需要设缝时，有以下设计方案供选择。

（l）防震缝。体型基本规则的抗震房屋可不设防震缝，若抗震房屋的结构体型非常不规则，而建筑场地没有限制，可以设置防震缝将建筑物分为多个体型规则部分， 但防震缝的宽度要满足抗震支座罕遇地震的作用下的位移要求，且应考虑与周围固定物或建筑物之间可能发生的相对运动。

（2）沉降缝。抗震房屋的沉降缝设置与传统的抗震房屋要求相同，但由于沉降缝的设置是从基础底直至顶层，为防止沉降两侧的抗震建筑在地震作用下发生相互碰撞，在设置沉降缝时，缝宽应同时满足抗震房屋防震缝的要求。

（3）温度缝。抗震房屋的温度缝一般仅在上部结构首层以上设置。这时，首层以上相当于两个独立的抗震建筑，因此，温度缝宽取传统抗震房屋的防震缝宽即可。也可从基础顶至结构顶设置，但此时的温度缝宽还要满足抗震房屋的防震缝缝宽的要求。

四、抗震支座的设计

一般而言，抗震装置应具备如下的性能才能有效达到隔离地震作用的目的： 第一，抗震装置不仅要能承担上部建筑物的重量，而且在竖向荷载作用下变形较小，这是对其竖向承载力和竖向刚度的基本要求；第二，水平向须具有充分的柔度即较小的水平刚度，以延长结构的自振周期，减少上部结构的加速度反应和下部结构的层间剪力；第三，为了限制结构位移，使振动衰减，还必须有适当的阻尼。第四，建筑物的设计使用年限一般为刃年，支座的耐久年限应不少于此。在偶然事件下（例如：火灾），支座应仍有一段时间在发挥作用。所以，作为工程设计人员，对抗震装置的性能掌握的充分性与否，直接影响到抗震建筑设计的优劣程度。针对叠层橡胶支座的支座、性能指标及质量检查的规范标准有：《叠层橡胶支座抗震技术规程》（CECS-126：2001）、《建筑抗震橡胶支座》（JGll8-2000）。《叠层橡胶抗震支座抗震技术规程》对抗震层部件的试验要求、技术性能、构造要求以及抗震层的设计作了较为明确具体的规定。《建筑抗震设计规范》中“12.1.5”中明确指出：“消能减震部件和抗震部件的设计参数和耐久性应由试验确定”，“安装前应对工程中所用的各种类和规格的原型部件进行抽样检测， 每一规格和每种类的数量不应少于3个，抽样合格率应为100%”。但是，多数情况下是设计人员依据抗震装置生产厂家的产品目录进行选用（我国尚未有统一的橡胶抗震支座工业规格）。所以，设计人员不但要熟悉抗震支座的各项性能，而且还应掌握对其进行试验的方法，以确保抗震装置的耐久性和力学性能。

（l）设计用地震波。其中人工地震波的做法是， 家丁震级为8级， 震中距为50 km，输人水平各种波相同，弹性分析时，输人速度为25cm/s，弹塑性分析时为50cm/s。

（2）抗震装置。抗震装置在输人地震波计算时， 分别取大震时固有周期的目标值为35，等效粘性阻尼比的目标值为10%。

（3）上部结构的截面计算。采用基于长期应力和一次设计用剪力的地震应力， 对上部结构的杆件进行容许应力设计。此时，以一次设计用剪力超过输人25cm/s 的地震反应剪力。输人波为50cm/s时，以上部结构基本上不屈服为目标来进行设计。

（4 ）地震反应分析。隔振装置采用双线型恢复力模型： 即标准叠合橡胶垫为弹性， 钢棒为完全弹塑性， 抗震结构整体为剪切多质点系模型。（助设计准则。对应地震动为25cm/s和50cm/s的地震反应分析，抗震装置的最大位移确定方法为：取叠合橡胶垫的容许水平位移37.5mm的1/1.5为输人波水平达50cm/s时的最大位移， 再取此值的1/1.5为输人水平达25cm/s时的最大值。弹性分析时，x方向采用考虑了刚域的框架分析，将体系置换成剪切弹簧系，y方向采用弯剪弹簧系，抗震层采用具有弹塑性恢复力特性的水平和转动弹簧系进行分析。弹塑性分析时， x方向采用具有弹塑性恢复力特性的等效剪切型弹簧系， y方向采用弹性的弯剪型弹簧系。由于y方向上两侧山墙剪力墙的反应剪力在开裂强度以内，故仍使用弹性刚度。抗震层的阻尼比：叠层橡胶垫的阻尼比在弹性分析时取1%，弹塑性分析时取2%。钢棒阻尼器仅考虑滞回阻尼。