浅析建筑结构中的人防设计与抗震设计

【摘 要】随着对结构非线性性能的研究，人们发现设计结构所取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构的控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后非弹性变形能力来承受地震作用。从而形成了结构在一定水平地震作用下进入屈服，并达到屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

【关键词】建筑结构；人防设计；抗震设计

引言

我国相继发生了几次破坏力较强的地震灾害，地震灾区许多房屋损坏或倒塌，给人民的生命财产造成了巨大的损失。如何在实现房屋建筑使用功能的同时，增强其抗震能力，成为建筑行业必须解决的重大问题。本文简要分析了房屋建筑结构中的抗震设计，以供探讨。

一、人防工程结构设计

人民防空工程也叫人防工事，是指为保障战时人员与物资掩蔽、人民防空指挥、医疗救护而单独修建的地下防护建筑，以及结合地面建筑修建的战时可用于防空的地下室。人防工程是防备敌人突然袭击，有效地掩蔽人员和物资，保存战争潜力的重要设施；是坚持城镇战斗，长期支持反侵略战争直至胜利的工程保障。

现在，新建的人防工程在建设前都经过了可行性论证，既考虑到战时防空的需要，又考虑到平时经济建设、城市建设和人民生活的需要，具有平战双重功能。同时。人防工程严格按建设程序办事，从土建到装修都注重质量。建成投入使用后，取得了显著的战备效益、社会效益和经济效益。许多大中型人防工程成为城市的重点工程，如哈尔滨奋斗路地下商业街、沈阳北新客站地下城、上海人民广场地下停车场、郑州火车站广场地下商场等，在社会上产生了巨大的影响。许多领导和群众在参观了人防工程后，无不为人防工程宏伟雄壮的气势、绚丽夺目的装饰所折服，普遍反应与原来想象大不一样，概括起来有6个想不到：一是人防工程建设这么重要，没有想到；二是人防工程这么好，没有想到；三是人防工程这么多，没有想到；四是人防工程这么大，没有想到；五是人防工程这么坚固，没有想到；六是人防工程平时可以为生产、生活服务，没有想到。许多人用“地下仙境”、“洞天福地”来赞誉人防工程，这是对人防工程的最高

奖赏。

众所周知，人防工程是一种有防护要求的特殊地下建筑，其常用的分类方式有以下几种：按抗力等级划分，工程可直接称为某级人防工程；按战时用途划分，可分为指挥通讯、人员掩蔽、医院、救护站、仓库、车库等等；按平时用途可分为商场、游乐场、旅馆、影剧院（会堂）等等；从工程构筑方式划分，又分为掘开式工程和坑地道工程两大类。为了合理反映工程造价，预算定额和工程预算通常以工程构筑方式进行分类。

人防工程按构筑形式可分为地道工程、坑道工程、堆积式工程和掘开式工程。①地道工程是大部分主体地面低于最低出入口的暗挖工程，多建于平地。②坑道工程是大部分主体地面高于最低出入口的暗挖工程，多建于山地或丘陵地。③堆积式工程是大部分结构在原地表以上且被回填物覆盖的工程。④掘开式工程是采用明挖法施工且大部分结构处于原地表以下的工程，包括单建式工程和附建式工程。单建式工程上部一般没有直接相联的建筑物；附建式工程上部有坚固的楼房，亦称防空地下室。早期人防工程多为地道工程。80年代以来人防建设实行了指导思想的战略转变，强调平战结合，为经济建设和城市建设服务，新建的人防工程多为掘开式工程，位置较好，质量较高。同时，为了吸引人们到地下来，为人们提供比较舒适的环境，一些人防工程装修的档次普遍高于地面建筑。

人防工程按战时功能分为指挥通信工程、医疗救护工程、防空专业队工程、人员掩蔽工程和其他配套工程五大类。

二、结构性能抗震设计理论的研究现状与问题

1、现行建筑规范抗震设计

1.1、我国实行的抗震设计是基于承载力或强度的设计方法。纵观历年历次地震震害的调查和分析后不难发现，在地震发生时，对建筑结构破坏起控制作用的因素是力；而其他情况的控制因素是速度或位移。因此，建筑结构的抗震设计不应该只是基于结构强度的设计，而应从力的角度进行各方综合分析与合理验算[2]。

1.2、主体结构的破坏与人身安全关系最大。现行建筑行业设计理念是对主体结构进行足够的安全储备，但对非主体结构的安全储备、内部设施和功能安全储备等没能进行合理设计。随着社会经济的不断发展，建筑物装修标准和智能化程度大幅提高，由此所引起的附加荷载超过主体结构本身破坏所能承受的范围。

1.3、规范条款对结构水平抗力和变形的验算其实就是对既有或拟建建筑的抗震诊断。设计理念就是对设计满足预估性能目标的结构而言，设计者尚缺乏主动性。在项目设计的过程中作为设计者一般均是为稳妥起见，仅仅按规范条款设计，而对有利于抗震性能的新技术在建筑规范中没能体现出来，因此，新的技术很难大面积的进行推广。

抗震设计方法及存在的问题

2、直接位移设计法

直接位移设计法是一种偏重于结构性能的设计方法，这种方法概念简单，可根据在一定的地震等级作用下预期的位移计算地震作用，进行结构设计，使构件达到预期的变形，结构达到预定位移。但该方法的使用尚存在一些问题：由于替换结构的刚度是对应于最大位移时的线性刚度，其周期一般比弹性结构的周期长许多，因此，用于位移设计的位移设计反应谱必须比加速度反应谱具有较长的周期范围；弹性加速度设计反应谱一般是针对阻尼比为0.05，而位移设计反应谱必须适应替换结构所需要的较大阻尼比范围的要求；近年来的研究表明，近场强震效应对结构的位移反应有较大的放大作用，但直接位移设计方法只从材料的极限应变出发得到构件的变形值进行结构设计，不能考虑近场强震的这种放大效应；结构构件的滞回特性。因此，就现阶段而言，采用直接位移设计法实现基于结构性能的抗震设计还具有一定的局限性；½这一设计理论没有体现出结构的非线性分析方法和对所设计结构的实际抗震性能进行验算的方法。

3、位移影响系数法

位移影响系数法主要体现在确定给定结构非线性静力弹塑性分析时的最大期望位移，这一最大期望位移定义为目标位移d；采用此方法结构来确定最大非线性位移，概念相对来说比较简单，但在实际设计计算中需进一步研究：此种方法仅仅是一种衡量结构整体抗震水平的评估方法，无法提供具体楼层和主要构件的损坏情况以及具体结构构件的抗震水准；结构的最大非线性位移与线性位移的关系比较复杂，采用上述多系数的表示方法，每一个系数取值的变化都会对结果产生较大的影响，而在各个系数都不能明确确定其取值的情况下，计算结果与结构的实际最大非线性位移会产生较大的误差。

4、能力谱方法

能力谱方法是一种偏重于对所设计结构的实际抗震性能进行评估验算的方法。对结构抗震性能评估的能力谱方法的研究。还存在以下问题需要解决：¹在能力谱方法中，需要将原型多自由度结构体系转化为等效单自由度体系，而现有的转化方法都是以结构反应的单一振型或主振型为基础，而对于高阶振型对结构反应影响比较显著的多高层结构体系或扭转效应不可忽略的结构体系来说，这种转化方法将产生比较大的误差；通常能力谱方法对于抗侧刚度沿结构高度方向分布不均匀的结构体系或楼层平面内扭转反应比较明显的结构体系无法进行验算。

三、钢筋混凝土结构房屋抗震设计

1、目前钢筋混凝土结构房屋在抗震设计中存在的问题

混凝土结构设计规范采用了梁、柱构件内力调整柱轴压比限制和柱体积配箍率等措施，其主要的目标是保证强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的设计思想。从地震灾区框架结构震害来看，较多数的现行建筑物未达到强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件这一目标，其重点是柱和节点破坏，梁出现塑性铰的情况较少，在框架梁柱节点区的浇筑施工中，易将箍筋下移，引起节点区箍筋不足。

2、抗震计算

2.1、高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法计算；除上述外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法；特别不规则的建筑、甲类建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算；当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值；当取七组及七组以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

2.2、构件抗震设计

抗震柱的设计

A：注意调整柱端截面设计内力

框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关，实验研究表明，梁先屈服，可使整个框架有较大的内力重分布和能量耗散能力，柱一般在轴向压力作用下，其延性通常比梁的要小，如果不采取“强柱弱梁”措施，柱端很可能比梁端先出现塑性铰。因此适当调整柱计算内力并增大配筋，使塑性铰首先出现在梁端，抗震性能较好。对于一、二、三级框架节点的上下柱端，其组合的弯矩设计值之和∑MSc应按下式调整：

∑Mc=ηc∑Mb

∑Mc节点上下柱端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值可按弹性分析分配

∑Mb节点左右梁端截面顺时针或逆时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零

ηc框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一、二、三、四级可分别取1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型中的框架，一级可取1.4，二级可取1.2，三、四级可取1.1。

B：剪力的调整

由于抗震规范规定的柱端弯矩增大措施只能适度推迟柱端塑性铰的出现，而不能避免出现柱端塑性铰，因此对柱端也应提出强剪弱弯要求，避免柱底部在弯曲破坏之前出现剪切破坏。对于一、二、三级框架柱的柱端截面组合的剪力设计值V应按下式调整：

V=ηVc（Mcb+Mct）/Hn

ηVc柱剪力增大系数；对框架结构，一、二、三、四级可分别取1.5、1.3、1.2、1.1；对其他结构类型的框架，一级可取1.4，二级可取1.2，三、四级可取1.1。

Hn柱的净高

C：要增加柱的延性

轴压比越大导致柱的抗压强度储备越低，在地震时混凝土容易压碎而导致柱的破坏，限制柱轴压比可提高柱的延性。

D：抗震架梁的设计

在框架结构设计中，应力求做到在地震作用下的框架呈现梁铰型延性机构，为减少梁端塑性铰区发生脆性剪切破坏的可能性，对梁端的剪力适当调整，使斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力，做到强剪弱弯。梁端截面组合的剪力设计值V应按以下公式调整：

V=ηVb（Mbl+Mbr）/ln+VGb，

同时，抗震设防烈度为9度和一级框架还要符合：

V=1.1（Mbual+Mbuar）/ln+VGb，中，ηVb为梁端剪力增大系数，一级框架取1.3，二级取1.2，三级取1.1。Mbl、Mbr、Mbual、Mbuar分别为梁左右端截面组合的弯矩设计值和实配的钢筋按标准值计算的所能承担的弯矩值。VGb为重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。

结束语

建筑结构的抗震是非常有必要，也是非常重要的一个方面，随着人们对建筑产品要求的提高，各种新结构、不规则结构和超出规范适用范围的结构会逐渐增多，在没有规范可供遵循的条件下，采用基于性能的抗震设计思想进行这些结构的抗震设计，并通过专家论证，也是可行、有效的一条路径。

参考文献：

[1]叶列平.经杰.论结构抗震设计方法[C]，第六届全国地震工程会议论文集，2002.

[2]丰定国.王社良.抗震结构设计[M].武汉理工大学出版社，2003.

[3]李爱群，高振世.工程结构抗震与防灾[M].东南大学出版社，2003.

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