论建筑结构抗震设计理念与方法

前言

一切抗震设计都是为了最大程度地提高对地震灾害的抵抗能力。对于一般程度地震，应保证整体建筑物的完整性和稳定性; 对于中等程度地震，应保证在进行简要修复后可快速恢复使用; 对高等程度地震，应保证建筑物不会发生坍塌。简要概括即小震不坏，中震可修，大震不倒。总的来说，抗震设计应结合全盘考虑，依照具体情况具体分析，以刚柔结合的原则合理分布各作用力，以强剪弱弯的原则设计建筑结构从而提高整体稳定能力。

1 我国现行建筑结构抗震设计理论

1) 逆静力理论。这是20 世纪40 年代发展起来的抗震设计理论，在进行抗震作用计算时，假定结构为刚性的，地震力的方向是水平的，作用点在结构的质量中心上，作用力大小假定为结构的重力乘上一个比例常数。

2) 反应谱理论。随着对地震运动特征越来越深入的了解以及对地震情况越来越丰富的反应记录，在20 世纪60年代发展起来一种叫做反应谱的抗震理论。这是基于美国加州理工学院的动力理论思想，在那时，科学家已经发现地震作用主要是一种随着时间过程的非线性变化，输入变量为地震加速度，选择建筑物为多自由度系统，然后模拟计算任意时刻建筑结构对地震产生的应力- 应变反应，从而分析地震状况。

3) 高层建筑结构抗震设计理念。进入21 世纪以后，我国对建筑结构的抗震设计提出了三水准、两阶段要求，三水准即为小震不坏，中震可修，大震不倒，两阶段是指，当发生低于本地区抗震级别的地震，即第一设防烈度地震时，建筑结构仍处于弹性变形阶段，可以正常使用，通常情况下建筑结构没有发生破坏，不需要进行修补即可继续使用。因此，在计算参数中选取的是承载力极限状态验算，并要求建筑结构的变形不超过弹性变形限值。当发生相当于本地区抗震级别的地震，即第二设防烈度地震时，建筑结构已经进入非弹性变形阶段，可能已经发生外表或内力的破坏，可以选择不修理或者一般修理。然而，建筑结构需保持一定的延展能力，即不发生不可恢复的脆性破坏。当发生高于本地区抗震级别的地震，即第三设防烈度地震时，建筑结构已经进入塑性变形阶段，已经发生较为严重的破坏，但是还不至于导致建筑物的倒塌，从而可保证内在人身安全和物品等资源的完整性。

2 建筑抗震设计存在的问题

1) 部分建筑物高度超出限制。我国针对钢筋混凝土结构技术的高层建筑物高度有规范规定，有明确的高度统一限制。然而，部分开发商并没有严格执行这一规定，修建超高建筑。当地震突然袭来时，这些不符合规定的超高建筑物没有足够的抵抗能力，使得发生剧烈震荡后产生破坏性变形。不仅如此，在地震过后的使用期间，其抗震能力大大削减，刚度等力学特征较之前有很多改变，导致建筑物必须严格检测，甚至重新进行结构设计和工程预算。

2) 建筑位置不合理。面对越来越多的人口数量和土地面积不断减小之间的矛盾，开发商忽视对建筑物地理位置进行科学合理地选择，更多的是考虑其商业价值等短期利益上。实际上，对高层建筑物的选址是有成熟的原则的，应兼具开阔性和平坦性，且土体均匀坚实，避开软弱土层或沙土易被液化区段，比如山岳、陡坡、丘陵、采空区、河岸边缘等，还应该避开容易发生泥石流、滑坡、地陷等山体自然灾害区段，或者地震活跃段和地震断裂带的明显位置，以及变电站、火电厂这类危险场所。

3) 选材不科学。对于地震频发的地区，对于建筑材料的选取及对组成的合理搭配至关重要。我国建筑结构普遍为钢筋混凝土核心筒，并以结构位移量为主要的参考依据。当此类型建筑物发生弯曲变形或者侧移产生较大幅度位移时，小刚度的钢框架不足以承受由变形或侧移所产生的应力，不仅会增加建筑钢结构的荷载负担，还会降低其对抗震性能的效果。通常情况下，解决此问题可以提高钢筋混凝土核心筒的刚度，改善伸臂结构、增添加强层等。

3 建筑结构抗震设计的有效措施

3. 1 合理选择建筑位置

在建筑结构的抗震设计中，选择建筑位置至关重要，尽管突如其来的地震可能造成建筑物瞬间灰飞烟灭，合理的地理位置可以有效地提高建筑物的整体抗震能力。地震发生时候会导致较为强烈的位置错动，在不同结构、不同性质的土体上受侵害程度也明显不同，如果将建筑结构的位置选择在不恰当土体之上，不仅会破坏建筑物结构，甚至会引起建筑物的整体坍塌。因此，在为建设项目选择场地的时候，应选择具有一定减缓地震影响的地方，综合考虑附近的地貌地形状况，尽量选取在兼具平坦性和开阔性的土地上，保证建筑物所在范围内的土体和地基结构具有较高的密实度、坚硬度和凝结度等物理相关性能，可承受各种情况下的荷载组合状况。如果实在无法避开这些地方，就需要设计人员发挥所长，进行合理的改造措施，根据相应的抗震级别采取地基加固和结构加固，如地桩法等，从而最大限度地减少地震带来的危害。

3. 2 合理选择建筑结构体系

在抗震设计总过程中，合理选择建筑结构体系是非常重要的步骤之一，其中应着重综合考虑到结构的经济性和安全性。通过了解建筑结构的结构体系、受力体系等，就可以更清晰地了解地震过程，从而有助于提出一些创造性的解决方案，达到抗震的目的。本文总结归纳出应注意的几个方面。

1) 建筑结构ღ的协调性。抗震设计切忌以偏概全。在全过程的建筑结构抗震设计中，必须具备有效的重力分配能力功能，当面临突如其来的地震灾害时，能够将整体受到的巨大冲击力适当分配到各个部位，从而减小局部应力，避免类似连拱作用的发生，保证一个部位出现损坏问题，其他部位尚可保持稳定性，从而保证建筑结构整体的稳定性不会受到影响。

2) 地震作用力传递途径。在全过程的建筑结构抗震设计中，必须做好具体的地震作用力计算图，并明确其传递途径至关重要。譬如，应当以最短的路径将垂直重力荷载传递到竖向结构墙中去，尽量减少局部的巨大冲击力，保证压应力的均匀，避免地震来临时，其巨大冲击力迅速摧毁整体建筑。此外，建筑结构应明确整体意识，就是各单元的结构设计之间应该有明确的连续性和贯通能力，从而有能力做到对突如其来的变化进行均匀控制和有效转换。

3) 合理的刚度。虽说抗震设计的原则其一是刚柔结合，但恰到好处的刚度水平相对塑性来说一样©重要。否则，如果地震突然发生，刚度不足的建筑结构可能瞬间产生裂缝，过度的变形随时间会越来越严重，当达到极限变形能力之后甚至导致整体建筑结构的崩塌。因此，良好的承载能力可以抵抗地震带来的巨大冲击力，由于钢筋混凝土结构具有较好的内力重分布功能，可以有效地吸收和减弱地震带来的冲击力能量，保证建筑结构在地震作用下的强度与刚度合理分配。

4) 梁- 柱结构设计。在抗震设计中，我们都知道水平力是主要抗力因素，所以用科学合理的抗侧力策略至关重要。框架的基本组成结构有梁、柱，并通过节点连接，梁和柱都能承受水平荷载和垂直荷载，属于以剪切变形为主的柔性结构，并在设计师笔下灵活的布置建筑结构内部空间。当楼层不高时，使用框架结构是比较科 Ü学的，因为水平荷载对建筑结构的作用不显著。然而在高层建筑结构中，水平荷载对框架结构的影响较大，内力是不均匀分布的，且高楼层中间必然存在较为脆弱的楼层。由于结构的横截面惯性矩不足，则侧向刚度不足，侧向变形变大，因此，当地震来临，高层建筑中脆弱楼层将首先达到屈服强度，产生弹塑性变形和应力集中现象。常识可知，地震作用下梁轻柱重桩底轻桩顶重，除掉短柱中由于较小的剪跨比发生柱中剪切破坏，一般情况下，长柱发生柱顶的弯曲破坏，尤其是角柱和边柱等边缘地带更容易率先发生破坏。

5) 剪力墙设计。不同于框架结构，剪力墙是沿横向、纵向正交布置或者斜向布置，依靠钢筋混凝土结构承受所有的水平力和竖直力，因此，是一种以弯曲变形为主的刚性结构。由于这些特点，剪力墙结构的抗侧力更大，在地震作用下侧向变形较小，保证建筑结构的整体性较好。剪力墙结构按其内力性质可分为单肢墙、联肢墙、开口墙等。单肢墙和开口墙的截面内力特点接近材料力学公式，即沿直线分布规律，而联肢墙是许多墙肢一同工作，地震作用力矩由多个墙肢共同承担，其破坏顺序是梁先达到屈服强度，墙肢再弯曲破坏，最终完全丧失承载能力。由于钢筋具有较好的延展性，当钢筋屈服时不仅可以传递弯矩和剪力，还可以吸收一定的地震破坏能量。

3. 3 控制扭转效应

除去水平力和竖向力，地震发生时还伴随着强烈的扭转效应，不清楚就会导致裂缝、建筑物崩塌、地表波动巨大等不良现象，因此，在建筑结构的抗震设计中，掌握扭转效应隐藏的能量，控制其带来的破坏十分必要。首先要测量建筑结构受力的最大位移刚度和最小位移刚度在一定误差之内，确保整体结构位移的同步性。与此同时，设计时必须要保证与其相关的各个部位设计均达到设计规范要求，暴露出的任何一个问题都要及时修复和调整，最大限度的降低扭转效应带来的不良破坏。

3. 4 保持平面设计规则性

本文详细阐述了当下的建筑结构抗震设计理念，是为设计人员的工作提供准则与标尺，切忌违反有关建筑结构抗震设计的有关规定。抗震设计方案是非常讲究的，譬如在研究不规则平面或者竖向不规则情况时，应当采用三维空间结构进行模型的模拟与计算。我国是历史悠久的文化大国，讲究一切以对称为美，从各文明古迹可以看出，建筑物大多都是对称设计的，平面内℃的对称不仅有艺术层面的美感，而且在建筑物的抗震设计中有举足轻重的作用。从力学角度分析，依据对称性建造的建筑结构，当地震突然来临时，地震带来的巨大冲击力将均匀地分配到建筑物两边。此时，倘若在建筑物两端设计合理的抗震防灾装置，恰当设置梁- 柱剪力墙，对于高层建筑，要保证其具有足够的刚度，控制扭转效应的不利影响，那么这些设计就会立即发挥效果，即有效地均匀分散巨大冲击力，减少结构物因受不平衡荷载而倾斜甚至倒塌状况的发生。因此，建筑物越是简洁大方、对称均匀，就越有利于防止地震等自然灾害。

3. 5 加强延性设计

建筑结构具有足够的延性是抗震重要的前提条件。如果建筑物的楼层加高，其刚度逐渐减小，柔度逐渐增加，因此稳定性逐渐降低。根据此原理，对于高层的建筑结构来说，必须保证其具有一定的延性，即变形能力。其次，当地震突然来临时，钢筋混凝土结构受到巨大冲击力的破坏，在各楼层的水平面受到剪切力，可能发生相对位移。倘若该建筑结构的抗震设防等级为二级或者二级以上标准，则可认为建筑结构进入弹塑性变形阶段，此时结构物具有相应的承载能力，并且将通过此方式有效地扩散地震带来的能量。因此，建筑结构具有恰当的变形能力，即具有一定的延性是十分必要的。经各种实验数据与结果分析得知，对于强柱弱梁的强节点结构，内力重分布现象较为明显，地震能量消散得更快，也就是说抗震性能较为良好。

提高建筑结构抗震性能的措施还有很多。在工程的设计阶段，设计人员必须明确受拉钢筋最佳配筋率 ，因为最小配筋率是保证建筑物的稳定性，避免产生裂缝，而最大配筋率是保证混凝土的受压、钢筋的屈服受拉距离结构物的极限承载状态还有一段距离，从而保证结构破坏属于塑性破坏，在崩溃之前有明显的预兆。此外，还需要精确地掌握结构强与弱的关系，既要保证结构物具有足够的刚度，又要提供建筑物一定的延性以消散地震能量。其次，在硬件设备方面，可以增加一些软垫、滑移、摆动等抗震措施。此外，还有一个非常重要的措施，就是设置多道抗震设计来有效降低地震作用带来的灾难。倘若建筑结构仅有一道抗震防线，当地震突然来临，一旦建筑结构超过其承载能力而遭到破坏，就瞬间崩溃，无法再承受之后可能出现的余震或不良天气等意外状况。具体来讲，第一道抗震防线就是在工程的设计阶段，采纳一些延展性较好的材料和构件，然后依次加入强有力的第二道防线、第三道防线等 ，提高结构物多层次抗震性能。

4 结束语

尽管我国针对建筑行业的抗震设计与西方国家相比仍有很大差距，相关规范不够到位，但是具有中国特色的建筑结构抗震⌘设计理念正在慢慢发展与成熟。综上所述，在对建筑物设计的同时进行抗震设计是十分必要的，设计人员必须持有对建筑结构抗震设计的理念意识，严格执行有关规范，确保做到小震不坏，中震可修，大震不倒的原则。对于现有的有关抗震设计的不足，本文进行了详细的归纳与总结，希望引起有关技术人员的注意和警惕。此外，基于国内外成功的抗震设计理念和经验，本文提出了一些可以提高抗震性能的意见与建议，希望能找到一种既经济又安全的优化抗震设计方案，保证建筑结构的稳定性和整体性，最大限度保护人民生命安全和财产按全，为我国建筑行业防灾减灾方向的发展再进一步。