论建筑结构抗震设计

论建筑结构抗震设计

王圣郑州

【摘要】由于我国是一个地震多发的国家，分布广、频率高、强度大、震源浅，是世界上地震灾害最严重的国家之一。近几年来，各国历次地震对人类造成了严重灾害，通过总结大量的经验教训，促使结构抗震设计不断发展。建筑抗震的实践表明，一个地震区建筑物，如果没有良好的建筑总体布置方案，单靠结构抗震计算和抗震的构造措施，在较强烈的地震作用下，仍是难以取得建筑抗震的较好效果。因此，这就要求结构工程师不仅要运用好抗震计算分析，而且要重视结构概念设计，使建筑设计与建筑抗震设计有机地结合起来，建筑抗震设计水平才能达到一个比较完善的高度。文章主要是在探讨建筑结构抗震设计中结构抗震设计的方法总结和发展，供大家参考。

【关键词】建筑结构；抗震设计

一、目前我国抗震设计中存在的不足

通过多年对于建筑抗震设计的研究，我国逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计方法而且日益成熟，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。首先，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的，而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.86，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说，并不都是恰当的。最后，由于不同类别建筑的不同重要性，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标。此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。

二、结构抗震的可靠度

在结构所有的功能中，首先需要满足的是结构的安全性。由于在震源的发生机制、地震波的传播路径和场地条件中存在很多不确定性，以及在循环荷载作用下的性能和分析计算模型中的不确定性，结构的地震反应非常随机，并且安全性只能采用抗震可靠度进行描述。按照可靠度理论，服役期内结构的抗震可靠度同时体现了环境和结构两方面的、特征，采用可靠度作为设防参数在概念上似乎更充分一些，在方法上也比较统一。这种方法实质上是认为工程结构自身以及所处环境存在着不确定性，使所设计的结构在遭受未来可能发生的地震作用时绝对安全既不可能也不经济，人们使用这些结构时必须承受一定的风险。因此需要确定一个可以接受的安全度水准，这个水准被定义为目标可靠度，它可以作为结构抗震设防的参数，所有抗震结构实际的抗震可靠度应该不低于规定的目标可靠度。

由于结构抗震可靠度中包含了场地可能遭遇的各种强度地震动对结构安全性的影响，以目标可靠度进行抗震设防时就不必再去区分“小震、“中震”和“大震”，从而也就避免了为解决该问题所产生的各种困难。结构抗震可靠度的大小同结构服役期限的长短有关，它不仅描述了结构建造完成前规划、设计、施工等过程中的安全性，而且考虑了结构服役过程的安全影响因素，因此采用目标可靠度进行抗震设防既可以完成基于生命的抗震设防目标，也可以实现基于性态的设防目标，对于具有不同服役功能的工程结构，只需适当调节目标可靠度的具体取值，就可以方便地实现多级抗震设防的目标了。

三、结构抗震设计中概念设计

所谓“建筑抗震概念设计”是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，是进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。地震动是一种随机振动，有难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇的特性和参数，目前尚难做到。在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等诸多因素，也存在着不确定性。因此抗震问题不能完全依赖计算结果。而是应该立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念，往往是构造良好结构性能的决定性因素。抗震概念设计主要有如下几点：

3.1建筑选址。避免抗震危险地段，选择对抗震有利的场地、地基和基础在进行设计时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，作出综合评价，宜选择坚硬土或开阔平坦密实均匀的中硬土等有利地段；避开软弱土、液化土、河岸和边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层等不利地段；同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上，也不宜部分采用天然地基，部分用桩基，当地基有软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚度。

3.2合理的平立面布置。建筑物的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，从而确保房屋具有良好的抗震性能。建筑物的平、立面布置宜规则、对称，质量和刚度变化均匀，避免楼层错层。但事实上，由于城市规划、建筑艺术和使用功能等多方面的要求，建筑不可能都设计成方形或圆形。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》，对地震区高层建筑平面形状作了明确规定；并提出对平面的凹角处应采取加强措施。对体形复杂的建筑物合理设置变形缝，在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，严格控制建筑物的高度和高宽比。

3.3结构选型和结构布置。结构选型根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，经技术、经济条件比较综合确定。单从抗震角度考虑，作为一种好的结构形式，应具备下列性能：延性系数高；匀质性好；正交各向同性；构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。结构布置遵循的原则是平面布置力求对称，使构件分配的力均匀；竖向布置力求均匀，尽可能使其竖向刚度、强度变化均匀，避免出现薄弱层，并应尽可能降低房屋的重心。

3.4多道抗震防线的设置。多道设防就是人为加强某些竖向抗侧力结构，提高部分的可靠度；并且有意识地设置一些薄弱环节，使其在强震作用下退出工作。在遇到建筑物的基本周期与地震卓越周期相同或接近的情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替后，建筑物自振周期将出现较大幅度的变化，与地震卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，减轻地震的破坏作用。3.5刚度、承载力和延性的匹配。地震时建筑物所受地震作用的大小与其动力特性密切相关，建筑物应具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。当结构具有较高的抗力时，其总体延性的要求可适当降低；反之，较低的抗力需要较高的延性要求相配合。提高结构的抗侧刚度，往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。要使建筑物具有很强的抗倒塌能力，最理想的是使结构中的所有构件都具有较高的延性，然而实际工程中很难做到。有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性是比较经济有效的办法。

四、建筑结构消能减震与隔震设计

传统的结构抗震是通过增强结构本身的抗震性能来抵御地震作用，是被动消极的抗震对策。而消能减震隔震设计是指在结构体系中设置隔震层以隔离地震能量，或在抗侧力结构中设置消能器吸收地震能量，从而达到减轻震害的目的，是积极主动的抗震对策。目前，世界上许多国家开展了结构减震技术与理论的研究，并致力于该技术的推广。一些国家，如美国、日本、新西兰、加拿大等已经制定了隔震或耗能减震设计的规范或标准。我国已经在《建筑抗震设计规范》中纳入了隔震与消耗减震的内容，并制定了《建筑隔震橡胶支座标准》、《夹层橡胶垫隔震技术规程》。但由于它是一种新型的结构体系，且隔震层以上结构部分的使用要求高于非隔震建筑，因此，在目前的设计中应用较少。其主要原理为：在房屋底部设置橡胶隔震支座和阻尼器等，以延长构件的自振周期、增大阻尼，或在结构中设置消能装置，通过局部变形提供附加阻尼，消耗地震能力，而达到保护上部结构的目的。

五、抗震构造措施的设置

抗震构造措施在结构设计中具有非常重要的作用，构造设置是否合理，直接影响到结构防震的效果，由于上部主体结构类型不同，构造措施也不尽相同，以下列出常见结构类型所需采取的一般构造措施。砖混结构房屋中设置沿楼板标高的水平圈梁，加强了内外墙的连接，增强房屋的整体性。圈梁能够有效地约束预制板的散落，使砖墙出平面倒塌的可能性降低；另外，圈梁作为边缘构件，可以提高楼、屋盖的水平刚度。在地震作用下限制了墙体斜裂缝的开度与延伸，减轻了不均匀沉降对房屋的影响。并且构造柱设置合理，可以起到增强房屋整体性、改善结构脆性和增加延性的作用。每间设置构造柱的墙体，可以大大提高变形能力，即使墙体开裂以后，还可以利用其塑性变形和滑移、摩擦，来消耗地震能量。但是，设置圈梁和构造柱后，多层砖混房屋的抗裂能力并没有多大的改善，难于保证砖混结构房屋实现“小震”不坏的目标，设计中应该加以注意。

六、结论

总而言之，随着高层建筑的迅速发展，建筑高度不断增加，高层建筑的结构设计也成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。其抗震设计变得尤为重要，建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的概念，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿了整个过程。建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此如何准确、合理的运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，对于不同的建筑、不同的情况应区别对待，从而寻求最合理的抗震设计。