抗震建筑結構的若干概念設計

李寶玉

（河南省建筑工程標準定額站，河南　鄭州　450001）

抗震建筑結構的若干概念設計

李寶玉

（河南省建筑工程標準定額站，河南鄭州450001）

地震是一種不可預知的自然災害，可導致建筑物受損甚至倒塌和人命傷亡，減少地震災害最有效的方法是建造經得起強震的抗震建筑。基于此，結合地震動的特點和建筑抗震設計原理，總結有關建筑結構抗震設計中的概念設計，并進行必要分析，以期對建筑結構抗震設計有一定的參考價值。

抗震結構設計；概念設計；建筑結構

地震是一種不可預知的自然災害，地震波引起的地震動可導致建筑物受損甚至倒塌，從而引致人命傷亡，減少地震災害最有效的方法是建造經得起強震的抗震建筑。地震的大小用震級度量，而建筑物遭受地震影響的強弱程度則用烈度來表示，我國現行《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011）（以下簡稱《抗震規(guī)范》）的1.0.2條以強制性條文的形式規(guī)定［1］：抗震設防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑，必須進行抗震設計。地震作用不僅具有隨機性，而且具有動力特性，目前尚難準確確定建筑物所遭遇地震動的峰值、頻譜和持續(xù)時間，再加上結構材料的非彈性、結構的阻尼以及結構分析的不完備等因素，結構的抗震設計尚不是理性的科學，除了結構分析和截面設計外，概念設計是結構抗震設計中不可缺少的重要部分。概念設計就是指工程師在結構設計中運用“概念”進行分析和判斷，并采取相應措施，愈來愈受到結構設計人員的普遍重視。

1　抗震設防目標

每個地區(qū)都有可能遭受強烈程度不同的地震，出現的概率也不同，對結構的影響程度也不同。顯然，采用單一的抗震設防目標是不合理的。因此，和世界上許多國家一樣，我國也采用3個水準的設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。即使抗震設防目標基本相同，但由于各國地震發(fā)生的頻繁程度不同，相同重現期的地震的強弱程度不同等原因，關于“小震、中震和大震”的定義也就不一樣，即建筑受到的有效加速度不同?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定的小震即為多遇地震，為該地區(qū)50a內超越概率10%的地震；中震即設防烈度，為該地區(qū)的地震基本烈度，50a內超越概率為10%；而大震為罕遇地震，50a內的超越概率為2%～3%的最大地震烈度?？拐鹪O防烈度是建筑抗震設計用的基準烈度。一般建筑抗震設防烈度是采取建筑所在地區(qū)的基本烈度。

2　若干抗震結構概念設計

2.1選擇合理地基和減少地震能量輸入

2.1.1避免地基變形的直接危害。建筑物可能由于斷層錯動、山崖崩塌、河岸滑坡、地層陷落等地基嚴重變形造成嚴重破壞。因此，應避免在斷層、山崖、滑坡、地陷等抗震危險地段建造房屋。同時，應選擇位于開闊平坦地帶的堅硬土場地或密實均勻中硬土場地，避開不利地形，遠離河岸，不垮在兩類土壤上，不采用震陷土作天然地基［1］。

2.1.2減少地震能量輸入。建筑物遭遇到地震時，所受到的地震作用的大小，并不像一般的風、雪、重力等荷載那樣易于確定，而是隨著建筑的動力特性、場地條件和地震動參數的不同，存在較大幅度的變化。以高層建筑為例，建在基巖或薄土層上與建在厚土層上相比較，能減少地震輸入能量，減輕破壞程度。因此，在堅硬的場地土上建造高樓，可以明顯地減少地震能量輸入，即能減小地震作用。采用隔震技術可有效地減小地震能量的輸入，從而減輕結構的地震作用效應。目前，常用的隔震有軟墊隔震、滑移隔震、擺動隔震、懸吊隔震等措施。

2.2結構體型和總體布置

結構抗震設計除根據高度、設防烈度合理選擇結構形式、材料外，還需重視結構布置。

結構平面布置與建筑平面有關，平面簡單、規(guī)則、對稱的建筑，易于實現利于建筑抗震的結構布置，即結構的剛度、質量分布對稱均勻，結構的質心與剛心盡可能重合，從而減少地震作用下的結構扭轉效應。即使是完全對稱布置的結構，由于施工引起的構件尺寸及軸線偏差、配筋不對稱等原因，在地震作用下結構也會激起建筑的扭轉振動。因此，在彈性階段的抗震設計時就需要偶然偏心的影響。結構豎向布置時就要使構件沿高度方向連續(xù)，不出現結構側向剛度突變。尤其是剪力墻，自下而上要連續(xù)布置，否則易于形成結構的薄弱層，在地震作用下該層間側移將因塑性變形集中而驟然加大，破壞程度也會加重，進而危及該層以上各樓層甚至整個建筑的安全。對于突出屋面的小塔樓，則易于出現鞭梢效應，在結構設計時需專門處理，并在構造上采取措施。規(guī)則結構的地震反應較為簡單，計算結果能較好地反映地震作用下的受力狀態(tài)，設計師也就能較好地把握結構的實際地震反應。對不規(guī)則結構而言，更應重視概念設計，首先要設置從基礎到屋頂的不中斷的連續(xù)結構（也稱為脊椎結構）［2］，若無法設置，應采取其他措施來保證抗側力結構的連續(xù)性；其次是提高關鍵構件的承載力和延性，按中震不屈服來設計關鍵構件，或保證大震下關鍵構件處于彈性狀態(tài)。

2.3性能優(yōu)良的材料

在結構的抗震設計階段，除了要考慮建筑的功能、美觀和結構體系等，還需要確定結構的材料，這就要求對各種材料的耐震性能有一定的了解，以便能根據建設工程來選用既符合抗震要求又經濟實用的結構形式。從結構抗震角度來講，好的結構材料應是變形能力（延性系數）強，“強度/重力”的比值大，均勻性好，構件之間易于連接，并能充分發(fā)揮材料的強度。用上述標準來衡量，常用結構類型按其抗震性能優(yōu)劣的排序是：鋼結構，型鋼混凝土結構，混凝土-鋼混合結構，現澆鋼筋混凝土結構，預應力混凝土結構，裝配式鋼筋混凝土結構，配筋砌體結構。

2.4結構的整體性和延性

結構具有足夠大的延性和耗能能力是抗震結構設計的基本要求，合理設計的抗震結構應是結構在大震作用下，部分結構構件屈服或破壞，通過延性來耗散地震能量，避免結構倒塌。延性本質上說是材料、截面、構件或結構在保持一定的強度或承載力時的塑性變形能力，除與材料、配筋有關外，選擇合理的結構屈服機制也是保證結構具有良好延性的前提。整體屈服機制優(yōu)于樓層屈服機制。對混凝土結構設計而言，需遵循“強節(jié)點弱桿件”“強柱弱梁”“強剪弱彎”“強錨固”等原則。而在鋼結構設計時，應選定構件中軸力小的水平桿件，作為主要耗能桿件，并盡可能使其發(fā)生彎曲耗能，從而使整個構件具備較大的延性和耗能能力。

剛度愈大的構件通常吸收的地震能量也越大，只有使其具有足夠大的延性，才能在結構受力超過彈性階段發(fā)生彈塑性變形時，避免其先發(fā)生破壞，然后其他構件再發(fā)生破壞，從而被各個擊破。為了增加大剛度構件的延性，可采用設置豎縫的抗震墻、偏心支撐等相應的措施。

為了提高構件的延性，設計時需控制構件的破壞形態(tài)，減小桿件軸壓比，采用高強混凝土或型鋼混凝土、配置斜向鋼筋、分隔成較細桿件、變單肢墻為雙肢墻等措施。

2.5非結構構件的概念設計

結構中的非結構構件要參與工作，有利的方面是增加了結構的抗側剛度，從而減少結構的側移，同時還能承擔地震剪力、吸收和耗散地震能量，從而對結構產生有利影響。但是，結構剛度的增大又會引起更大的地震作用效應，對結構的抗震不利，有時不合理的填充墻布置也造成結構偏心、在框架中形成短柱等情況，加重了結構震害。所以，在結構設計時必須考慮到填充墻的影響，加強非結構構件與主體結構的連接，控制結構的層間側移。

3　結語

盡管地震具有強烈的隨機性，對建筑的危害也較大，只要在建筑和結構設計中合理運用抗震概念設計，能夠保證房屋在地震發(fā)生時和發(fā)生后具有必要的整體穩(wěn)定性，從而減少不必要的生命和財產損失。

［1］GB50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］錢稼茹.不規(guī)則高層建筑的抗震設計概念及工程實例［J］.建筑結構，1997（1）：35-37.

Several Conceptual Design of Aseismic Building Structure

Li Baoyu
（Henan Provincial Construction Engineering Standard Quota Station，Zhengzhou Henan 450001）

Earthquake is a kind of unpredictable natural disaster，can lead to damage or even collapse of buildings and casualties，the most effective way to reduce the earthquake disaster is to build strong earthquake resistant buildings.Based on this，combined with the characteristics of ground motion and the principle of seismic design of buildings，the concept design of the seismic design of building structures was summarized，and the necessary analysis was made，in order to have a certain reference value for the seismic design of the building structure.

seismic structural design；conceptual design；architectural structure

TU352.11

A

1003-5168（2016）06-0118-02

2016-05-13

李寶玉（1973-），女，本科，工程師，研究方向：工程造價。