建筑抗震結構設計探究

王仕昱

摘 要 抗震，是當前建筑施工必須要關注的話題，建筑結構的抗震也就成了房屋設計必須要考量的核心環(huán)節(jié)。文章將就建筑抗震設計的要求、目標、原則，以及相關的內容進行探討。

關鍵詞 抗震；結構；設計方法

如何能夠讓建筑在地震中保持安全，不受嚴重的損害，是當前建筑施工設計必須要考量的一個大問題，特別是近年來地震頻繁，人們的生命財產(chǎn)受到嚴重威脅，建筑安全則成了社會安全的一個重要影響因素，為保證建筑的抗震能力，設計人員必須要根據(jù)相關標準，設計出具有相當抗震能力的房屋。

1.抗震設防的目標

我們所說的抗震設防，指的是對建筑物進行抗震設計，同時有針對性的采取一定的抗震構造的措施，最終實現(xiàn)結構抗震的效果和目的。一般來說，抗震設防主要依據(jù)的是抗震設防烈度。而抗震設防烈度的依據(jù)，是以國家規(guī)定權限審批或頒發(fā)的文件執(zhí)行的，其是一個地區(qū)作為抗震設防標準。通常情況下，是采用國家地震局頒發(fā)的地震烈度區(qū)劃圖中規(guī)定的基本烈度的。從當前內外抗震設防目標的發(fā)展總趨勢來看，其基本要求建筑物在使用期間，可以應對對不同頻率和強度的地震，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。這是我國抗震設計規(guī)范所采用的抗震設防目標。

建筑工程在施工中的設防的目標如下：1）如果所遭受的是低于本地區(qū)設防烈度多遇的常規(guī)地震，建筑物不受損壞，不需修理仍可繼續(xù)使用；2）如果遭受到本地區(qū)規(guī)定的設防烈度的地震，建筑物，包括結構和非結構部分，可能損壞，但不會對人民生命和生產(chǎn)設備的安全造成威脅，經(jīng)修理仍可使用；3）如果遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震，盡量保證建筑物不倒塌。

也就是說，在建筑結構的防震設計上，設計方可以按照多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度這三個層次進行考慮。從概率上看，多遇地震烈度是發(fā)生機會較大的地震級別。按照現(xiàn)行規(guī)范設計的建筑，在設計上要達到這樣的防震效果：當遭遇多遇烈度作用時，建筑物處于彈性階段，通常不會損壞；當遭遇相應基本烈度的地震時，建筑物將進入彈塑性狀態(tài)，但一般不會發(fā)生嚴重破壞；當遭遇罕遇烈度作用時，建筑物可能會有嚴重破壞，但不至于倒塌。

2.建筑結構抗震設計方法要點

我國所頒布的《抗震規(guī)范》提出了兩階段設計方法，以實現(xiàn)上述3個烈度水準的抗震設防要求。第一階段的設計方案，必須要符合抗震設計原則，同時根據(jù)與基本烈度相對應的眾值烈度（相當于小震）的地震動參數(shù)，通過采用彈性反應譜法求得結構在彈性狀態(tài)下的地震作用標準值和相應的地震作用效應，接著與其他荷載效應按一定的組合系數(shù)進行組合，同時對結構構件截面，進行具有針對性的承載力驗算，如果建筑物較高，還必須要進行變形驗算，以保證其側向變形不要過大。這樣，一方面滿足了第一水準下必要的承載力可靠度，同時也滿足第二水準的設防要求（損壞可修）。當然，最后還必須通過概念設計和構造措施來滿足第三水準的設防要求。

對于非地震高發(fā)區(qū)的大多數(shù)建筑結構而言，只進行第一階段的設計已經(jīng)足夠了，但根據(jù)建筑的特點和地區(qū)的特征，少部分結構諸如有特殊要求的建筑和地震時易倒塌的結構，還必須要進行第二階段的設計，也就是按與基本烈度相對應的罕遇烈度（相當于大震）驗算結構的彈塑性層間變形是否滿足規(guī)范要求（不發(fā)生倒塌）。如果發(fā)現(xiàn)有變形過大的薄弱層，那應該積極修改設計，或者可以采取相應的構造措施，以滿足第三水準的設防要求，也就是大震不倒。

3.結構選型與結構布置

3.1 結構材料的選擇

選擇哪一種材料對建筑的結構抗震有著直接的影響，所以材料的選擇應該與建筑的方案設計同步，在研究建筑形式的同時進著手進行研究。同時還應該要確定采用什么樣的結構體系。這樣做的目的，主要是為了能夠根據(jù)工程的各方面條件，選擇既符合抗震要求又經(jīng)濟實用的結構類型。結構選型是較為復雜的一項工作，在選擇時必須要考慮建筑的重要性、設防烈度、房屋高度、場地、地基、基礎、材料和施工等因素，再加上經(jīng)技術、經(jīng)濟條件比較后再確定。如果我們單從抗震角度考慮，好的結構型式，應具備以下特點：1）延性系數(shù)高；2）“強度／重力”比值大；3）勻質性好；4）正交各向同性；5）構件的連接具有整體性、連續(xù)性和較好的延性，并能發(fā)揮材料的全部強度。如果只從數(shù)據(jù)上看，按照上述標準來衡量，常見建筑結構類型，理論上的抗震性能優(yōu)劣順序是：1）鋼結構；2）型鋼混凝土結構；3）混凝土一鋼混合結構；4）現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構；5）預應力混凝土結構等。當然，在這里必須要強調的是，我們說的抗震最好的鋼結構，其優(yōu)越性是相對性的，從優(yōu)點看，其延性，連接較好，具有可靠的節(jié)點，同時擁有在低周往復荷載下有飽滿穩(wěn)定的滯回曲線，從實際的經(jīng)驗看，鋼結構建筑的表現(xiàn)都不錯。但是，我們說的相對性，是只設計理念即施工方法的到位如果不到位這些建筑同樣會在地震中受損。

3.2 抗震結構體系的確定

不同的結構體系，在抗震性能、使用效果和經(jīng)濟指標等方面的效果是不同的。因此，確定適合的抗震結構體系至關重要?！犊拐鹨?guī)范》的基本要求：1）必須具備明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；2）形成多道抗震防線，避免因部分結構或構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或對重力的承載能力；3）必須具備必要的強度以及良好的變形能力和耗能能力；4）應該具有合理的剛度和強度分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中；對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。

總之，在選擇確定建筑的結構體系時，建筑物剛度與場地條件的關系是必須要考慮的。如果建筑物自振周期與地基土的卓越周期接近一致，那就說明建筑可能會產(chǎn)生共振，進而加重建筑物損害。一般來說，建筑物的自振周期與結構本身剛度有關，所以在設計房屋之前，設計單位必須要掌握場地和地基土及其卓越周期，以便在建筑結構的設計中調整結構剛度，最終避開共振周期。

當然，在選擇結構體系時，還應該要注意選擇合理的基礎形式?；A應該有足夠的埋深，如果是多層房屋，就應該設置地下室。根據(jù)實踐調查，設置地下室的房屋，可以減輕整個結構的震害。至于那些地基軟弱的，就應該考慮選用樁基、筏板基礎或箱形基礎。而針對巖層高低起伏不均勻的情況，則可以考慮選擇樁基，樁基可以穿入非液化土層，使建筑結構更加穩(wěn)固。如果建筑物層數(shù)不多、地基條件又較好時，也可以采用單獨基礎或十字交叉帶形基礎等。

3.3 結構布置的一般原則

3.3.1 平面布置力求對稱 通常情況下，對稱結構在地面平動作用下只會發(fā)生平移振動，各構件的側移量相等，這樣就使得水平地震作用按構件剛度分配，所以各構件受力比較均勻，不會導致力的分布失衡。如果是非對稱結構，剛心會偏在一邊，質心與剛心不重合，即便只是發(fā)生地面平動也可能出現(xiàn)扭轉振動。最終會導致遠離剛心的構件，側移量大，承擔過度的水平地震剪力。這就很容易發(fā)生嚴重破壞，甚至可能會導致整個結構因一側構件失效而倒塌。

3.3.2 豎向布置力求均勻 結構豎向布置均勻，可以最大限度的使其豎向剛度、強度變化均勻，這樣可以有效的避免出現(xiàn)薄弱層。從建筑結構的特點看，臨街的建筑物，往往會因為商業(yè)的需要，底部幾層有大空間的設置。非臨街的建筑物，底部也可能門廳、餐廳或停車場，而出現(xiàn)大空間。在這種結構中，上部的鋼筋混凝土抗震墻或豎向支撐或砌體墻體到此被中止，而下部須采取框架體系。也就是說，上部各層為全墻體系或框架一抗震墻體系，而底層或底部兩三層則為框架體系，整個結構屬“框托墻”體系。地震經(jīng)驗指出，這種體系很不利于抗震。因此，在實際的抗震結構設計中，應該要保持結構豎向布置的均勻。

也就是說，同一樓層的框架柱，必須要具有大致相同的剛度、強度和延性，以此避免地震時，因受力大小懸殊而被各個擊破的危險。此外，還必須注意的是，在采用純框架結構的高層建筑中，樓梯踏步斜梁和平臺梁直接與框架柱相連時，應該避免該柱變成短柱的情況，這樣才能有效的避免地震時發(fā)生剪切破壞。

4.結語

總之，在建筑結構的防震設計中，設計人員必須根據(jù)建筑的實際情況，結合地質環(huán)境，在經(jīng)濟與安全的綜合考量下，設計出科學合理的防震方案，保證建筑物在相應的防震標準下進行施工，保證建筑的安全。

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