建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則及設(shè)計要點分析

劉夢瑤 袁東勝

（1.菏澤市規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司，山東 菏澤 274000；2.菏澤市建設(shè)工程勘察院，山東 菏澤 274000）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)驗的積累，人們對于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的認(rèn)知和技術(shù)手段也在不斷提升。作為設(shè)計單位，全面了解建筑抗震設(shè)計的要點及難點問題，制定切實可行的抗震設(shè)計方案，對于提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文就建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則及設(shè)計要點進(jìn)行分析，僅供交流。

1 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要遵循整體性、簡化性和抵抗性三大原則（如圖1 所示），這是確保建筑物在地震中具備良好的抗震性能的基礎(chǔ)。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則

1.1 整體性原則

抗震設(shè)計的整體性原則是指在抗震設(shè)計過程中，將建筑結(jié)構(gòu)作為一個整體進(jìn)行考慮和設(shè)計，以確保其整體的穩(wěn)定性和抗震性能。

（1）將整個建筑結(jié)構(gòu)作為一個系統(tǒng)來考慮，而不是把它看作是由獨(dú)立部件組成的集合。這意味著在抗震設(shè)計中，需要綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的各個部分之間的相互作用和協(xié)同工作，而不是單獨(dú)對每個部分進(jìn)行設(shè)計。通過在整體考慮的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，可以提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度，從而增強(qiáng)其抵抗地震力的能力。

（2）抗震設(shè)計中注重結(jié)構(gòu)的韌性和能量耗散能力。地震作用通常會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和變形集中，如果結(jié)構(gòu)不能承受這些應(yīng)力和變形而發(fā)生破壞，將導(dǎo)致建筑整體倒塌。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的韌性，可以采用一些措施，如提高材料的延性和減震器的安裝等。這些措施可以使結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生一定的變形，從而起到地震能量的耗散和減緩破壞的效果，保護(hù)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。

（3）抗震設(shè)計中注重結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性。地震作用會引起結(jié)構(gòu)的局部破壞和失穩(wěn)，因此，通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性，可以將地震作用傳遞到整個結(jié)構(gòu)，減小局部破壞的風(fēng)險。這可以通過采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)連接方式和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)點的措施來實現(xiàn)。通過保持結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性，可以增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗震性能。

1.2 簡化性原則

抗震設(shè)計的簡化性原則是指在抗震設(shè)計過程中，通過簡化結(jié)構(gòu)的形式和計算方法，使其更加易于分析和理解。

（1）結(jié)構(gòu)形式設(shè)計中盡量減少復(fù)雜性。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式往往意味著更多的構(gòu)件、更復(fù)雜的連接和更高的制造成本。而抗震設(shè)計要求結(jié)構(gòu)具備足夠的剛度和強(qiáng)度來抵抗地震作用，但并不意味著結(jié)構(gòu)越復(fù)雜就能夠提高抗震性能。相反，簡化結(jié)構(gòu)的形式可以降低結(jié)構(gòu)的自重和慣性力，減小地震作用對結(jié)構(gòu)的影響，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。

（2）降低抗震設(shè)計中的計算復(fù)雜性?？拐鹪O(shè)計需要對結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行分析，比較常用的方法是采用有限元分析等數(shù)值分析方法。然而，這些計算方法往往需要復(fù)雜的計算模型和大量的計算工作，很難在實踐中廣泛應(yīng)用。因此，在抗震設(shè)計中，可以采用一些簡化的計算方法和規(guī)則，如等效靜力法、固定節(jié)點法等，以降低計算復(fù)雜性，并能更方便地滿足實際工程需求。

（3）抗震設(shè)計中注重結(jié)構(gòu)的可行性和可操作性。抗震設(shè)計涉及眾多的參數(shù)和約束條件，而實際工程往往有時間和經(jīng)濟(jì)成本的限制。因此，設(shè)計人員需要在滿足抗震設(shè)計要求的前提下，考慮實際工程的可行性和可操作性。通過合理地選擇結(jié)構(gòu)材料、減少構(gòu)件數(shù)量和尺寸以及優(yōu)化構(gòu)件布局等措施，可以提高抗震設(shè)計方案的可行性，降低工程的成本和風(fēng)險。

1.3 抵抗性原則

抗震設(shè)計的抵抗性原則是指建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備抵御地震力量的能力，能夠有效地抵抗地震力的作用，保障建筑物及其內(nèi)部設(shè)備和人員的安全。

（1）強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，這是抵御地震力量的關(guān)鍵。在抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是指其能夠承受的荷載大小，而剛度則指結(jié)構(gòu)的變形程度。通過增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，可以提高建筑抵御地震力量的能力。因此，在建筑物的基礎(chǔ)和梁柱等主要承重構(gòu)件上采用高強(qiáng)度材料，并增加構(gòu)件的截面尺寸和數(shù)量，可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，從而增強(qiáng)建筑的抗震能力。

（2）結(jié)構(gòu)需具備良好的耗能性能。地震時結(jié)構(gòu)會受到?jīng)_擊力，如果沒有有效的能量耗散機(jī)制，沖擊力會集中在結(jié)構(gòu)某些部位上，導(dǎo)致局部損壞或倒塌。因此，為了保證建筑的抵抗性能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)引入一定的能量耗散機(jī)制。因此，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置可塑性構(gòu)件，如橡膠隔震器、形狀記憶合金等，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，這些可塑性構(gòu)件能夠吸收地震能量，減小結(jié)構(gòu)受到的沖擊力，從而保護(hù)建筑的完整性。

（3）結(jié)構(gòu)需具備良好的位移控制能力。地震力量會引起建筑結(jié)構(gòu)的變形和振動，若變形和振動超過一定限度，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。在抗震設(shè)計中，需要通過一系列措施來控制結(jié)構(gòu)的位移，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形和振動在可控范圍內(nèi)。因此，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置剪力墻、加勁筋等，能夠有效地抑制結(jié)構(gòu)的變形和振動，提高結(jié)構(gòu)抵抗地震力量的能力。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計影響因素及難點問題

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的影響因素很多，如圖2 所示，這些因素相互作用，共同決定了建筑物在地震中的抗震性能和安全性。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計難點

（1）地震參數(shù)。地震參數(shù)包括地震烈度、地震波加速度等。不同地區(qū)的地震烈度不同，因此在設(shè)計中需根據(jù)地震烈度水平確定合適的設(shè)計地震動參數(shù)。地震波加速度是建筑物在地震中所受到的最主要的地震荷載，因此在抗震設(shè)計中，需要對地震波加速度進(jìn)行準(zhǔn)確的估計和分析，以確保建筑物具備足夠的抗震能力。

（2）地基條件和土壤特性。地基條件指的是建筑物與地基之間的相互作用關(guān)系，而土壤特性是指土壤的固有性質(zhì)和力學(xué)性能。不同地區(qū)的地基條件和土壤特性存在差異，如軟土、砂土、黏土等，因此需要進(jìn)行詳細(xì)的土質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)勘察。在設(shè)計時，需要根據(jù)土壤的承載能力、動力特性等，選擇合適的地基處理方法和結(jié)構(gòu)形式，以提高建筑物的抗震性能[2]。

（3）建筑結(jié)構(gòu)類型和材料。不同類型的結(jié)構(gòu)，如鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等，其抗震性能和應(yīng)力傳遞方式存在差異。設(shè)計人員需根據(jù)地震荷載和結(jié)構(gòu)形式的特點，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型和材料，以確保建筑物在地震中具有足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。此外，結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能和耐久性也是設(shè)計時需要考慮的重要因素，如材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度等。

（4）施工質(zhì)量。施工質(zhì)量包括施工技術(shù)、施工過程中的質(zhì)量控制，以及質(zhì)檢人員的監(jiān)督等。施工過程中的疏忽和差錯可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆弱性和不均勻性，增加建筑物在地震中的風(fēng)險。因此，施工中要嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行，確保建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。

（5）設(shè)計人員的經(jīng)驗和專業(yè)水平。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員要全面了解抗震設(shè)計原理和規(guī)范要求，并具備足夠的經(jīng)驗和專業(yè)知識。只有在設(shè)計人員具備高水平的專業(yè)素養(yǎng)和抗震設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，才能制定科學(xué)合理的設(shè)計方案，保證建筑物具備良好的抗震性能。

3 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點

3.1 建筑地基

建筑地基的選擇、設(shè)計和建設(shè)對于建筑物的抗震性能有著直接的影響。

（1）地基的選擇是抗震設(shè)計中的首要考慮因素之一。地基直接承受著建筑物的荷載和地震力引起的反作用力，因此，選擇合適的地基類型對于保證建筑物在地震中的安全非常關(guān)鍵。一般來說，深基礎(chǔ)（如樁基礎(chǔ)、基槽地基）相對淺基礎(chǔ)（如淺埋地基、擴(kuò)建地基）更適合于抗震設(shè)計，因為深基礎(chǔ)能更好地將建筑物荷載傳遞到較深的土壤層，減小地震力對建筑物的影響。

（2）地基的設(shè)計需要考慮地震力的作用。地震力會引起地基土體的震動和變形，對地基產(chǎn)生各種應(yīng)力和破壞。因此，在地震設(shè)計中，需要根據(jù)地震力的特點和建筑物的特性來進(jìn)行地基的合理設(shè)計。一般來說，地基應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保在地震發(fā)生時能夠穩(wěn)定地承受地震力的作用。此外，地基的排水性能也需要充分考慮，以避免地下水位的變化對地基穩(wěn)定性的影響。

（3）地基的施工質(zhì)量直接影響地基的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。在施工過程中，需要確保地基的平整度、密實度和排水性，避免地基中存在松軟、不均勻或不良排水的情況。同時，還需要對地基進(jìn)行必要的檢測和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并糾正施工中存在的問題，確保地基的質(zhì)量符合設(shè)計要求[3]。

3.2 平面與豎向結(jié)構(gòu)

合理設(shè)計和選擇平面和豎向結(jié)構(gòu)的形式和材料，可以提高建筑物的抗震性能，保證其在地震中的安全性。

（1）平面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。建筑物的平面結(jié)構(gòu)包括建筑布局和分割等方面。在設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)先選擇不規(guī)則形狀的建筑物，如L 形、十字形等，以減少地震力的集中作用。同時，在布局上，應(yīng)考慮盡量將大型開間和重要設(shè)備等集中配置在建筑物的核心位置，以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）豎向結(jié)構(gòu)的設(shè)計。豎向結(jié)構(gòu)包括柱、墻和框架等組成部分。在設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)地震力的荷載特點和建筑物的高度、質(zhì)量等因素，選擇合適的材料和斷面尺寸，并合理布置柱、墻和框架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其中，柱的設(shè)置應(yīng)盡量減少柱跨比和盡量增加柱的強(qiáng)度和剛度，以增加建筑物的抗震性能。墻體的設(shè)置則需要考慮剛度和抗剪能力，以增加整個建筑物的穩(wěn)定性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)注重框架節(jié)點的抗震性能和連接方式，以確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗震能力。

（3）豎向結(jié)構(gòu)的施工和質(zhì)量控制。施工過程中，需要確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作和安裝符合設(shè)計和規(guī)范要求，避免存在焊縫開裂、構(gòu)件不牢固等問題。同時，在施工中還需要進(jìn)行必要的檢測和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)施工中存在的質(zhì)量問題，確保建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式和尺寸

合理設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式和尺寸，可以提高建筑物的抗震性能，確保其在地震中的安全性。

（1）合理設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式和尺寸。設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)建筑物的荷載特點和結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型，如柱、梁、墻、框架等。在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸時，需要綜合考慮建筑物的重量、剛度和穩(wěn)定性等方面。例如，在設(shè)計柱子時，應(yīng)考慮減少柱子的高徑比和增加柱子的截面尺寸，以提高柱子的抗震性能。在設(shè)計梁時，需要根據(jù)跨度和荷載確定合適的梁寬度和高度，以增加梁的強(qiáng)度和剛度。

（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的接頭和連接方式。在設(shè)計和施工中，需要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的接頭和連接具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。例如，在梁柱連接的設(shè)計中，應(yīng)采用合理的焊接或螺栓連接方式，以確保連接處的剛性和韌性。在墻體和地基的連接中，需要采用適當(dāng)?shù)腻^固和加固措施，以提高連接的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固。對于已有建筑物，在抗震設(shè)計中，可以通過增加柱子、墻體的截面尺寸，加固梁、柱節(jié)點，增設(shè)剪力墻等方式來加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件。此外，對于一些弱點部位，如柱子和梁的連接點、墻和樓板的連接點等，可以采用加固板、鋼筋混凝土加固件等方式來加強(qiáng)這些部位的抗震能力[4]。

3.4 材料選擇

材料的力學(xué)性能、耐久性以及抗震能力直接影響到建筑物的整體抗震性能。

（1）主要承重結(jié)構(gòu)，如柱、梁、墻體等，建議使用高強(qiáng)度鋼筋混凝土。高強(qiáng)度鋼筋混凝土具有較高的抗壓和抗拉強(qiáng)度，能夠在地震中起到更好的承載作用。此外，鋼筋混凝土還具有良好的韌性，能夠在地震中發(fā)揮一定的延性，從而減緩地震作用產(chǎn)生的破壞效應(yīng)。

（2）對于地震易發(fā)地區(qū)，建議使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力混凝土是通過在混凝土澆筑前施加預(yù)壓力的方式來增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，提高抗震能力。預(yù)應(yīng)力混凝土具有較高的抗拉能力，能夠在地震中減少結(jié)構(gòu)的振動和變形，從而降低地震作用對建筑物的影響。

（3）使用抗震性能優(yōu)異的新型材料。例如，鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠有效地承受地震作用，因此在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。另外，纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高剛度的特點，能夠在地震中減小建筑物的自重，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 結(jié)束語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計要遵循整體性、簡化性和抵抗性三大原則，這是確保建筑物在地震中具備良好的抗震性能的基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的影響因素很多，包括地震參數(shù)、地基條件和土壤特性、建筑結(jié)構(gòu)類型和材料等等，這些因素相互作用，共同決定了建筑物在地震中的抗震性能和安全性。為了提升建筑物的整體抗震性能，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，必須重視建筑地基的選擇、設(shè)計和建設(shè)；平面和豎向結(jié)構(gòu)形式和材料的設(shè)計和選擇；結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式和尺寸的設(shè)計。