結構抗震概念設計漫談

馬俊祥

（南通中房建筑設計研究院有限公司，江蘇 南通 226001）

結構抗震概念設計漫談

馬俊祥

（南通中房建筑設計研究院有限公司，江蘇 南通 226001）

本文根據地震作用的特點，闡述了結構抗震設計中“概念設計”的重要性，并結合工作實際提出了“概念設計”的基本原則和具體要求，為工程設計人員在今后的設計工作中提供思路。

建筑結構；抗震；概念設計

地震是一種破壞作用極大的自然災害，常常造成巨大的人員傷亡和財產損失。我國是一個地震多發且災情嚴重的國家，如何提高建筑物的抗震設計水平是當前需要面對并努力解決的重要課題。

一、結構抗震概念設計的提出原因及必要性

每棟建筑物都是一個空間結構體，在荷載作用下各構件并非是以脫離體系的單一構件獨自工作，而是以相當復雜的方式共同工作，精確計算其作用和受力是相當困難的，在計算地震作用時尤其如此，由于地震作用下的結構構件受力狀態的復雜性及不確定性、人們對地震時結構響應認識的局限性和模糊性、理論計算中的假定與實際情況的差異性，注定了在現階段無論計算工具再如何發展，計算過程再如何嚴格，其結果也只能是一種比較粗略的估計，甚至有時還根本無法計算。顯然在結構設計中，僅依靠現有理論進行抗震計算往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，無法達到預期的設計目標。因此在不確定因素眾多，受力狀況復雜的結構抗震設計中，抗震概念設計的提出和應用就顯得尤為重要了。

二、結構抗震概念設計的涵義

所謂抗震概念設計，一般是指不經過計算，尤其在難以做出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分結構體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、實驗現象和工程經驗中所獲得的基本設計原則和設計思想，從總體的角度來進行建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制，從而從根本上保證結構的抗震性能。

三、結構抗震概念設計的基本原則和具體要求

（一）建筑場地的選擇

地震造成建筑的破壞，除地震動直接引起結構破壞以外，還有場地條件的原因，諸如：地震引起的地表錯動與地裂，地基土的不均勻沉陷、滑坡和土體液化等。因此選擇有利于抗震的建筑場地是減輕建筑物地震災害的第一道重要工序。

（二）建筑物的平面、立面及豎向剖面的布置

建筑物平面和立面的規則性是抗震概念設計中需要考慮的一個重要因素。規則的建筑方案體現在：建筑物的平面布置基本對稱；結構體型簡單；抗側力體系的剛度和承載力上下變化連續、均勻。因為，簡單、對稱的結構容易估算其在地震時的反應，容易有針對性的采取抗震措施并對其進行細部處理。因此，這就要求建筑專業的設計人員具有一定的抗震知識素養，應該對所設計的建筑的抗震性能有所估計，避免采用抗震性能差的嚴重不規則的設計方案。

（三）結構體系的確定和結構布置

結構體系的確定是結構設計中頭等重要的大事。結構設計時應通過綜合分析使結構體系盡量合理且經濟，應優先采用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工且具有多道防線的結構體系（如框架-剪力墻結構，框架-筒體結構，設置耗能連梁的剪力墻結構等），避免采用抗震能力較低的結構體系（如板柱-剪力墻結構，單跨框架結構等），尤其應避免采用看似“合法”（符合規范）但不合理的結構體系（如當房屋高度接近規范框架結構類適用高度上限時，仍采用框架結構，震害表明，框架結構的側向剛度較小，整體性較差，結構的抗震性能較差，此情況下應采用抗震性能較好的框架-剪力墻結構為宜）。而在結構布置時，應采用概念清晰、傳力途徑明確的布置方式，盡量避免造成結構扭轉、平面和立面的里出外進、豎向傳力桿件的間斷與不連續等問題。

（四）多道抗震防線的設置

單一結構體系只有一道抗震防線，一旦破壞就會造成建筑物倒塌的嚴重后果。特別是當建筑物的自振周期與地震動卓越周期相近時，建筑物由此而發生的共振，更加速其倒塌進程。而如果建筑物采用的是多重抗側力體系時，第一道防線的抗側力構件在強烈地震作用下遭到破壞后，第二道乃至第三道防線的抗側力構件立即接替，抵擋住后續的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期與地震動卓越周期相同或接近的情況時，多道防線就更顯示出其優越性。當第一道抗側力防線因共振而破壞，第二道防線接替工作，建筑物自振周期將出現較大幅度的變動，與地震動卓越周期錯開，使建筑物的共振現象得以緩解，避免再度嚴重破壞。

在雙重結構體系中一般應優先選擇不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或軸壓比值較小的抗震墻、實墻筒體等構件作為第一道防線的抗側力構件，如框架-剪力墻結構中的剪力墻，框架-填充墻結構中的填充墻，單層廠房縱向體系中的柱間支撐，均可作為各自體系中的第一道抗震防線。

如因條件限制，只能采用單一的框架體系，則框架就成為整個體系中唯一的抗側力構件，此時應采用“強柱弱梁”型的延性框架。在地震作用下，框架梁成為第一道抗震防線，框架柱為第二道抗震防線，用框架梁的變形去消耗地震能量，使框架梁的屈服先于框架柱的屈服，從而保護了框架柱的相對完整，最終達到“大震不倒”的要求。

（五）結構抗震設計關鍵點的把握

在結構抗震概念設計中，還應注重對結構體系中的關鍵部位（如薄弱層，加強層等）、關鍵部位中的關鍵構件（如加強層的重要豎向構件、轉換層的水平轉換構件等）、關鍵構件中的關鍵節點（如梁柱節點，柱根部位等）幾個關鍵點的把握，從而實現“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固、強柱根弱桿件”的設計理念。

結語

結構抗震概念設計不是拒絕進行復雜結構設計，而是要求在處理復雜結構設計時明確：什么是結構設計的最佳選擇？采用不合理的結構方案或結構布置可能會帶來什么樣的后果？需要采取哪些補救或加強措施，并對這些措施的合理性和有效性做出客觀的評價，以保證結構性能目標的實現，確保房屋安全。結構抗震概念設計不是指手畫腳的空洞說教，而是具有豐富內涵的實實在在的工作。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析[S].

[4] 朱炳寅.建筑結構設計問答及分析（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2013.

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