現代建筑抗震設計

潘建

摘 要：隨著城市化進程的加快，高層建筑在城市中相當普遍，而高層建筑抗震工作一直是建筑設計和施工的重點。文章先概述現代抗震設計思路，再引出現代建筑的抗震設計方法，最后揭秘建筑的加固設計，希望可以為建筑工程設計人員在今后的高層設計工作中提供了一些思路。

關鍵詞：建筑設計；抗震設計

隨著建筑結構抗震相關理論研究的不斷發展，抗震設計思路也經歷了一系列的變化。最初，在未考慮結構彈性動力特征，也無詳細的地震作用記錄統計資料的條件下，經驗性的取一個地震水平作用（0.1倍自重）用于結構設計。高層抗震設計思路經歷了從彈性到非線性，從基于經驗到基于非線性理論，從單純保證結構承載能力的“抗”到允許結構屈服，并賦予結構一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉變。

1 現代抗震設計思路

在當前抗震理論下形成的現代抗震設計思路，其主要內容可歸結為：

1.1 合理選擇確定結構屈服水準的地震作用

一般先以一具有統計意義的地面峰值加速度作為該地區地震強弱標志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數）得到不同的設計用地面運動加速度（即小震的）來進行結構的強度設計，從而確定了結構的屈服水準。

1.2 制定有效的抗震措施

制定有效的抗震措施使建筑結構確實具備設計時采用的R所對應的延性能力。其中主要包括內力調整措施（強柱弱梁、強剪弱彎）和抗震構造措施。

現代抗震設計理念是基于對結構非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是關系，主要指在不同滯回規律和地面運動特征下，結構的屈服水準與自振周期以及最大非彈性動力反應間的關系。其中R為彈塑性反應地震力降低系數，簡稱地震力降低系數；而μ為最大非彈性反應位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數。在抗震設計時，對在同一烈度區的同一類結構，可以根據情況取用不同的R，也就是不同的用于強度設計的地震作用。

2 現代建筑抗震設計

2.1 建筑抗震設防標準

建筑地震設防標準是指未來可能施加于建筑結構的地震作用的大小，其直接關系到建筑結構的抗震能力。某機構認為基于建筑結構性能的設計理論來尋求能有效控制建筑結構可能發生的所有地震波譜的破壞水準。為了實現這個目的，根據不同地震重現期選擇所有可能發生的對應于不同等級的地震動參數的波譜，而這些具體的地震動參數被稱為“地震設防水準”。建議建筑設防地震等級如表1所示。

建筑結構抗震性能水準表示結構在特定的某一地震設計水準下預期破壞的最大程度。建筑結構和非結構構件的破壞及由其破壞引起的后果，主要用結構破壞程度、結構功能性和人員安全性來表達。不同等級的抗震性能應依據建筑結構的類型、整體結構、豎向和橫向承載構件、結構變形、設備與裝修和修復使用等方面加以定義，并應該表達為量化指標。建筑結構抗震性能分為三個等級：基本設防目標、重要設防目標和特別設防目標。建筑基本設防目標是一般建筑設防的最低標準；重要設防目標是醫院、公安消防、學校、通訊等重要建筑設防的最低標準：特別設防目標是包含核材料等特別危險物質的特別重要建筑的最低建筑設防標準。

2.2 建筑防震設計方法

建筑抗震的概念設計指在進行建筑結構抗震設計時，應著眼于建筑物結構的總體地震的震動反應，按照建筑結構的破壞機制和破壞過程，靈活應用建筑抗震的設計準則，全面而合理地解決建筑結構設計中出現的基本問題。

2.2.1 鋼結構建筑設計。鋼結構建筑有許多優良的特性。有很好的抗震、抗風性能。鋼結構整體剛性好、強度高、重量輕、變形能力強，建筑物自重僅為磚混結構的1/5，抗震性能卻是磚混結構的2倍以上，并有很強的抗風性能，有效的保護人民生命和財產安全。建筑鋼結構都是由多層水平的樓蓋和豎向的柱、墻等組成。樓蓋主要承受豎向荷載，而建筑豎向的柱、墻等構件因為建筑高度的變化，其組成方式和受力變形。特性結構體系也有明顯的變化。框架、剪力墻及筒體是結構中抵抗豎向及水平荷載的基本單元，由它們及其變體組成了各種結構體系，如框架結構體系、框架-支撐結構體系、框架-剪力墻體系、框架-簡體結構體系等。

2.2.2 建筑設計應設置多道抗震設防體系。由于地震的震動往往會持續一定時間，而且震動是往復的。根據對地震的大量研究可以看出，建筑物的倒塌通常是由于地震的持續往復作用，使建筑物的結構造到破壞，從而喪失了對建筑物重力荷載的承載能力。所以，建筑抗震規范提出“強柱弱梁、強剪弱彎”的抗震設計思想。建筑柱樁是建筑主要承受重力荷載的構件，通過科學、合理處理柱與梁之間的強弱關系，使建筑框架梁在地震中先于柱子屈服，出現了塑性鉸，從而耗散一定的地震能量，柱樁在建筑抗震中退居到第二道抗震設防體系。剪切破壞屬于力學的脆性破壞，而彎曲破壞是材料力學中的延性破壞，破壞后出現塑性鉸，建筑結構還能夠繼續承載。“強剪弱彎”的設計思想則使剪切破壞退居到第二道抗震設防體系。

2.2.3 建筑延性系數設計方法。該方法的實質是通過建立建筑構件的位移延性系數或建筑截面曲率延性系數與塑性鉸區混凝土極限壓應變的關系，由結構約束箍筋來保證核心混凝土能夠滿足所要求的極限壓應變，從而使建筑構件具有所需要的延性系數。建筑延性包括建筑結構延性、構件延性和截面延性三個方面。

2.2.4 采用能力譜方法進行建筑抗震設計。該方法是通過地震反應譜曲線和建筑結構能力譜曲線的疊加來評估建筑結構在給定地震作用下的反應特性。反應譜是指單自由度體系在給定地震輸入下的加速度譜；能力譜是指通過對建筑結構進行靜力推的分析，轉換得到等效單自由度體系的加速度和位移之間的關系曲線。能力譜方法由Freeman等提出，經過不斷的完善和革新。《日本建筑標準法》和美國ATC-40都采用能力譜法作為基于性能，位移抗震設計方法。Chopra提出了將能力譜方法和結構損傷指數評定相結合的屈服位移能力譜的地震損傷分析方法，增加并強化了能力譜法的實用性。因此，能力譜法的實質是采用的基于承載力的設計方法加位移、變形的能力校核，并依據能量的設計方法。對抗震設計的研究表明地震動瞬時能量在大多數情況下對結構最大位移反應具有決定性作用。但要建立基于能量的有效建筑抗震設計框架還需更深入的研究。

3 結語

建筑設計是建筑杭震設計的一個重要方面，建筑設計與建筑抗震設計有著密切關系。它對建筑抗震起著重要的基礎作用。一個優良的建筑抗震設計，必須是在建筑設計與結構設計相互配合協作共同考慮抗震的設計基礎上完成。為此，要充分重視建筑設計在建筑抗震設計中的重要性，在建筑抗震設計中更好地發揮建筑設計應有的作用。

參考文獻

[1] 魏漣.建筑結構抗震設計[M].萬國學術出版社，2010.

[2] 徐宜和.高層建筑結構抗震分析和設計的探討[J].江蘇建筑，2004（03）.