几种建筑结构抗震性能比较与分析

几种建筑结构抗震性能比较与分析

1. 前言

地震是一种突发性的自然灾害，至今可预报性仍然很低。强烈地震发生时会使建筑物产生沿竖直和水平方向的加速度，给建筑局部构件以严重破坏，严重时甚至造成整体结构的倒塌，并造成人身和财产的巨大损失。由于建筑物依附在地球表面，建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。通常，地震对建筑物的破坏有三种方式：上下颠簸、水平摇摆、左右扭转。多数时候，还是三种方式的复合作用。地震波传播方式有纵波、横波、面波，由于地球表层岩性的复杂性，传播过程中也会出现像激流中“漩涡”的复杂情况。

我国属地震多发国家，需要考虑抗震设防的地域辽阔。自五十年代开始，在国际抗震理论的推动下，我国逐渐形成了自己的抗震设防的特色。经过充分的研究和大量的实践，在2001年新修订的抗震设计规范（gb5001122001）中，建筑物的抗震能力较之前的规范可提高10 %以上，其技术含量达到国际先进水平。但是受经济实力的限制，我国建筑安全可靠度的设置仍低于欧美等发达国家。因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。

2. 几种建筑结构的特点及抗震分析

目前，我国主要民用建筑的结构主要有三类：底框结构、砌体结构和混凝土结构。

2.1 底框结构

底框结构能够在建筑物底层形成大空间，是我国现阶段经济条件下特有的一种结构。这种结构多用于临街的住宅、办公楼等建筑在底层设置商店、饭店、邮局或银行等。这样，房屋的上面几层为纵横墙较多的砌体承重结构，而底层则因使用要求上需要大空间的原因采用框架结构形成了砖混底层框架结构。但这种结构形式在抗震性能方面却是不利的：上部砖混结构部分纵横墙较密，不仅重量大，抗侧移刚度也大，而底框部分抗侧移刚度则较小，形成“上刚下柔”的结构体系。地震位移反应相对集中于底层，引起底层的严重破坏，从而危及整个房屋的安全。

底框结构建筑因其在使用上的方便性和灵活性而被广泛采用，但是从抗震角度来看它是一种不合理的结构形式。这类结构的体系亦较混乱，由于经济原因，大多尽可能少用混凝土框架，导致框架和砌体承重墙抗侧力构件的承载力和变形能力很不协调，平面抗侧刚度极不均匀心。这类结构的震害现象主要表现为底部框架由于变形集中而破坏，或上部砌体结构破坏。其具体表现为：

1．由于刚度突变，底框和上部砖混的结合处成为底框结构的薄弱环节。底框结构刚度大，上部砖混结构破坏；砖混结构刚度大，底框结构破坏。

2．在底框结构建筑中，如果底部为多层框架结构的混合结构，则由于底层设置抗震墙，底框的坍塌减少；而上部砖混的坍塌增多。3．圈梁和构造柱的设置对上部结构的抗震起到关键作用。

4．施工质量对抗震性能有重要影响，特别是混凝土、钢筋、砂浆等材料的强度对抗震性能影响明显。

2.2 砌体结构

以砌体为主制作的结构称为砌体结构，包括砖结构、石结构和其它材料的砌块结构，可分为无筋砌体结构和配筋砌体结构。砌体结构在我国应用很广泛，这是因为它具有很好的耐久性及较好的化学稳定性和大气稳定性，并且有较好的保温隔热性能。但是砌体结构有其自身的缺点，如自重大、体积大，砌筑工作繁重。由于砖、石、砌块和砂浆间粘结力较弱，因此无筋砌体的抗拉、抗弯及抗剪强度都很低。由于其组成的基本材料和连接方式，决定了它的脆性性质，从而使其遭受地震时破坏较重，抗震性能很差，因此对多层砌体结构抗震设计需要采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施以提高其延性和抗倒塌能力。

砌体结构建筑由于其组成的基本材料和连接方式，决定了它的脆性性质，从而使其遭受地震时破坏较重，抗震性能很差，因此对多层砌体结构抗震设计需要采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施以提高其延性和抗倒塌能力[2,3,6]。在地震中常见的主要表现为：1．在地震水平力作用下，墙体易发生受剪破坏，形成大量的交叉裂缝或窗角斜裂缝。

2．早期的预制板住宅楼，由于墙体间缺少拉接措施，导致墙体失去水平支撑、高厚比加大，从而发生整体或部分坍塌和倾覆。3．多层砌体房屋楼顶大量采用了混凝土空心预制板。由于预制

楼板与圈梁或墙体连接不牢固、搭接长度不足，致使房屋缺乏整体性，导致楼、屋盖大量坍塌。

4．楼梯间的刚度较大，受到的地震作用也比其他部位大，而且其顶层层高较高，墙体又受到嵌入墙内的梯段的削弱，所以震害往往比其他部位严重。

在砌体结构建筑中，发展高强度、高粘结胶合力的砂浆，能有效的提高砌体的强度和抗震性能。同时发展高强、轻质的空心块体，能使墙体之中减轻，生产效率提高，保温性能良好，且受力更加合理，抗震性能也得到提高。另外，采用新技术、新的结构体系和新的设计理论，配筋砌体有良好的抗震性能，采用工业化生产、机械化施工的板材和大型砌块等可以减轻劳动强度、加快施工进度，对墙体加预应力也是一种有效的办法。

2.3 混凝土结构

混凝土结构是以混凝土为主制作的结构，目前主要包括素混凝结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。素混凝土是针对钢筋混凝土、预应力混凝土等而言的。素混凝土是钢筋混凝土的重要组成部分，由水泥、砂（细骨料）、石子（粗骨料）、矿物参合料、外加剂等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。这种材料具有较高的抗压强度，而抗拉强度却很低，故一般在以受压为主的结构构件中采用，如柱墩、基础墙等。当在混凝土中配以适量的钢筋，则为钢筋混凝土。钢筋和混凝土这种物理、力学性能很不相同的材料之所以能有效地结合在一起共同工作，主要靠两者之间存在粘结

力，受荷后协调变形。由于钢筋混凝土结构合理地利用了钢筋和混凝土两者性能特点，可形成强度较高，刚度较大的结构，其耐久性和防火性能好，可模性好，结构造型灵活，以及整体性、延性好，适用于抗震结构等特点，因而在建筑结构及其他土木工程中得到广泛应用。预应力混凝土是在混凝土结构构件承受荷载之前，利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压，所产生的预压应力可以抵销外荷载所引起的大部分或全部拉应力，也就提高了结构构件的抗裂度。预应力混凝土适宜于建造大跨度结构。混凝土和预应力钢筋强度越高，可建立的预应力值越大，则构件的抗裂性越好。同时，由于合理有效地利用高强度钢材，从而节约钢材，减轻结构自重。由于抗裂性高，可建造水工、储水和其它不渗漏结构。