建筑結構的抗震概念設計

劉 秦 王 濤

1 黃河科技學院（450063） 2 鄭州大學綜合設計研究院有限公司（450002）

0 概述

地震是一種自然現象，由于地震動具有明顯的不確定性和復雜性,人們對地震規律的認識不足，所以，破壞性地震對人類而言是一種巨大的自然災害。為了減輕地震災害，有必要進行建筑工程結構的抗震設計。歷次震害經驗表明，建筑的抗震設計仍依賴于設計人員的抗震設計理念，抗震概念設計比計算設計更為重要。抗震概念設計，指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，對建筑結構進行總體布置和確定細部構造，從而合理地進行建筑結構的抗震設計，減輕震害。

1 建筑結構的抗震概念設計

1.1 選擇有利抗震的場地

除地震直接引起的結構破壞外，由地震引起的地表錯動、地裂、地基土的不均勻沉陷、滑坡及粉土的液化等場地條件的原因也會造成建筑破壞，大量的震害證實，建筑場地的地質條件與地形地貌對建筑物有顯著影響。因而抗震概念設計的首要要求就是選擇有利抗震的場地,避開不利地段，不在危險地段進行工程建設。當確實需要在不利或危險場地進行工程建設時，需結合地震活動和工程地質資料進行綜合評價,并采取必要的抗震措施。地基設計應符合下列要求∶

1）同一結構單元的基礎不宜設在性質截然不同的地基上；同一結構單元的基礎不宜部分采用天然地基及部分采用樁基；當采用不同基礎類型或基礎埋深顯著不同時,應根據地震時兩部分的差異，在基礎及上部結構相關部位采取相應措施，如在高層建筑主樓和群房不分縫的情況下，需要仔細分析不同地基在地震下變形差異及上部結構各部分地震反應差異再采取相應措施。

2）山區建筑場地勘察應有邊坡穩定性評價和防治方案建議，因地制宜地設置邊坡工程；邊坡設計應符合規范要求,有關摩擦角應按設防烈度修正；山區建筑距邊坡邊緣應留有足夠的距離。

1.2 抗震建筑形體規則性

考慮抗震性能對結構經濟合理性的影響，結構布置原則宜滿足∶平立面布置規則對稱，側向剛度沿豎向宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度自下而上逐漸減小,避免側向剛度突變。結構剛度如存在突然削弱的薄弱層，則會在地震中引起變形集中，如結構頂部剛度較小時會出現“鞭梢效應”。合理的建筑形體和布置在抗震設計中尤為重要，因為簡單對稱的結構地震時不易損壞，而且容易估計結構地震時的反應，易于采取抗震構造措施。對于體形復雜、平立面不規則的建筑，可采用符合實際的計算模型分析，或在適當部位設置防震縫，形成多個較規則的抗側力結構單元，避免地震破壞產生嚴重后果[1]。

1.3 綜合考慮結構體系

結構體系應綜合考慮建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素來確定。

首先，抗震結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，這對提高結構的抗震性能十分有利，是結構選型和布置構件抗側力體系的首要考慮因素。其次，應避免因部分結構或構件損壞而導致整個結構喪失抗震能力及對重力荷載的承載能力。再次，應具備必要的抗震承載力。良好的變形能力和消耗地震能量的能力，對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。最后，尚需注意多道防線和抗震薄弱部位塑性變形集中，結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近，如強柱弱梁型框架結構或雙肢剪力墻加連梁結構，存在兩道抗震防線，一是梁出現塑性鉸，二是柱根或剪力墻底部發生損壞，這兩道防線之間結構的彈塑性變形可消耗大量地震能量，可以通過采用超靜定結構、設置人工塑性鉸或設置耗能元件來實現多道防線。還可以通過一些構造措施和耗能手段來增強結構構件的延性，以結構一定塑性變形消耗地震能量，如混凝土結構設計中的“強剪弱彎，強節點弱構件”，砌體結構設計采用圈梁構造柱體系、墻體配筋等措施[2]。

1.4 重視非結構構件

建筑結構非結構構件在地震中的損壞允許大于結構構件，但非結構構件的地震損壞會影響結構安全和使用功能，應引起重視。

建筑結構非結構構件包括∶

1）附屬結構構件，如女兒墻、高低跨封墻、雨棚等，應加強其自身的整體性,并與結構構件有可靠的連接,錨固。

2）裝飾構件，如貼面、頂棚、幕墻等，應與結構構件有可靠的連接,避免脫落傷人。

3）圍護墻和隔墻。通常結構分析中非結構墻體常被略去,但在實際地震中對結構的抗震卻產生重要的影響。非結構墻體能縮短結構自振周期，改變結構的剛度分布，從而改變地震效應在結構中的分配。非結構墻體與主體結構的連接可分為柔性連接和剛性連接，柔性連接在布置上要避免與主體結構共同工作，如砌體填充墻與框架柱的連接宜采用柔性連接或彼此脫開，計算時只考慮質量，不考慮其強度和剛度的影響，構造上能保證其在水平方向自由變形，但要防止平面外倒塌。框架結構的圍護墻和隔墻應視為剛性連接，要分擔地震作用，計算時要考慮其質量、剛度和強度，在構造上要與主體結構緊密結合。處理好非結構構件和主體構件的關系，可防止附加災害[3]。

2 結語

建筑結構的抗震概念設計應貫穿于建筑方案的確定到結構布置的整個過程中，只有建筑師和結構師良好地配合,才能設計出抗震性能良好的建筑?？拐鹪O計往往需要進行復雜的計算分析，計算機輔助設計系統的采用則提高了抗震分析計算能力,但計算軟件的應用如計算模型的建立、設計參數、建筑材料、荷載的合理取值需要依賴設計人員的技術水平和設計經驗，而地震存在很大程度上的不確定性，所以建筑結構的抗震不能僅靠計算解決，抗震概念設計比計算設計更為重要。

合理的抗震概念設計對結構抗震性能具有重要意義，只有對建筑場地、建筑形體、結構體系、非結構構件及連接等方面合理的選型與布置，優化結構設計，為結構計算創造有利條件，才能有效控制建筑結構在地震作用下的薄弱環節，達到合理抗震設計的目的。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

[2]GB 50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].

[3]李國強.建筑抗震設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[4]李展開.淺談對建筑結構抗震概念設計的理解[J].山西建筑,2009.

[5]王亞勇.汶川地震建筑災害啟示—抗震概念設計[J].建筑結構學報,2008.