建筑結構設計中的抗震結構設計

許兵 金昌建設有限公司

當前隨著社會城市化進程加快，建筑業有了蓬勃的發展趨勢，其建設的規模以及高度也在持續性擴大，在生活中建筑的種類相當豐富，但是其內存的結構性問題也逐漸突出，因而在建筑的建設過程中，需要做好結構的分析，這樣在地震到來之時，才會避免發生嚴重的損失，防止給居民的生命財產安全帶來嚴重的威脅，因而相關工作人員應該在對建筑設計重要性深入認知的基礎上，落實各項方案規劃，確保結構設計達成最終的目標。

一、對抗震性能化設計的理解

（一）抗震性能化設計概念的提出

目前，建筑行業對抗震性能化設計的理解尚不統一。部分學者認為，以結構物的變形需求為結構設計控制依據的設計形式就可以稱之為抗震性能化設計；也有學者認為，以減少經濟損失、結構損傷作為性能目標進行設計，并對其進行驗證與分析的過程被稱為抗震性能化設計。實際上，建筑結構抗震性能化設計是抗震設計一步步發展、完善的結果。美國加州結構工程師學會、美國應用化工技術局、美國聯邦緊急救援組織最早提出基于結構性能的抗震設計概念，即根據建筑物的重要性、用途、業主要求來確定性能目標，因此，提出不同的抗震設防水準，并且進行抗震結構設計。最后，對設計方案進行評估，檢驗其是否滿足性能目標的要求，以及能否滿足建筑結構在未來地震中具備的功能。在設計過程中，對結構使用靜力彈性、動力彈塑性時程分析法分析結構的抗震性能，驗證建筑結構是否可以達到設計性能目標。

（二）抗震性能化設計的目的、內容

抗震性能設計的目的是在建筑結構壽命周期內，在一定條件下，提高建筑結構抵御地震災害的能力，在地震作用下，減輕結構的破壞程度，從而減少人員傷亡、經營中斷、再次修建等損失。因此，抗震性能化設計是一種“多級抗震設防”的方式，是對抗震設計的深化與細化。具體設計內容包括地震設防水準、性能目標確定、結構抗震性能水平的確定、結構抗震性能分析評估4個方面。在所有的設計內容中，需要考慮2個基本方向：地震需求與結構能力。結構性能設計的最終目的是使設計的建筑結構部件的抗震能力達標，強于地震需求指標且費用最低。

抗震性能化設計，就是一種建立在概念設計基礎上的抗震設計新發展。抗震性能化設計仍然是以現有的抗震設計水平和經濟條件為前提，從受力體對性能目標進行理解的設計過程，主要是采取各種設計方法和裝置，使整個結構或者是某些部位、關鍵構件在地震作用過程中，產生的破壞最小。在外力方面，在地震作用下，首先評估結構設計使用壽命內可能發生的地震等級。GB50011—2016《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）中詳述的地震的3個水準是小震、中震和大震。實際上性能化設計還需要考慮近場效應的影響。在《抗規》中規定，處于發震斷層周圍10km以內的結構的振動參數，如振幅、頻率、持續時間等都應計入近場影響中，這有利于對地震效應的計算與充分考慮。這種考慮方式也是在具體形式上具體分析的個性化手段。性能目標不再是一個籠統概念，而是在構件破壞狀態、功能保留狀態上高于三水準設計要求的目標設置。

二、建筑抗震設計現狀

根據建筑物的工程質量報告以及功能結構分析進行抗震設計，確保結構改造后其功能得到強化，可以滿足安全需要。通常抗震設計的思路包括結構分析驗算、抗震加固改造、施工效果檢驗等幾個步驟。在進行建筑的抗震設計過程中，首先明確結構改造加固的技術原則，在確定技術規范的前提下，進行整體的結構分析，根據原結構分析的結構，確定存在結構性能弱點的地方，采用必要的加固方案及措施，進行系統的優化設計。在確定設計方案之后，對新的結構體系以及性能變化進行研究，參照加固圖紙以及施工標準進行施工，確保整體的加固施工質量。

加固改造的對象是現有的建筑，相較于新的建筑其涉及的施工規范標準可能發生改變，這種情況下進行加固設計，所選取的標準規范的確定應該根據實際情況區分，常見的處理形式包括兩種，首先是按照對現有建筑進行集中加固改造的方式，根據設計所依據的標準原則，確保結構的安全性在改造之后維持在較高的水平，如果原結構的構件承載能力較弱，則需要進行加固處理。以現存的規范為依據進行系統加固改造，從而可以強化原結構的性能，如果原標準規范與現存的行業規范有一定的差異，則應該根據實際情況進行協調。在進行加工設計的過程中，由于原構件承載了一定的載荷，在進行加固之后二次受力會使原構件發生應力變形，壓縮變形的存在使得混凝土的結構發生收縮，而通過加固將部分載荷卸除，新增加的構建部分載荷發生變化，則新加的應力則作用于原構件，如果新舊結構無法共同達到應力的峰值，則會使自身的承載能力發生變化，如果原結構構件的變形程度較大，而新增的應力處于較低的水平，則無法發揮承載的潛力，抗震加固的部分為二次組合形式，能否成為整體，影響因素包括多方面，首先是其地面是否能夠傳遞剪力，通常情況下，混凝土的結合面其抗剪能力相較于首次混凝土的抗剪能力更低，因而二次組合結構的承載能力較一次結構更小，在明確建筑受力特征的基礎上，提供抗震設計的科學方案，可以確保最終的施工效果。

三、提高建筑抗震性能設計的途徑

（一）砌體結構設計

建筑的柱體結構與圈梁砌筑墻體部分會因為受到水平地震荷載與豎直地震荷載的作用下而出現裂縫，將墻體劃分為多個塊體。在水平地震荷載的作用下，建筑結構會產生水平方向的位移，逐漸向外移動，導致結構裂縫的開裂程度越來越大，破壞墻體的整體性，使墻體承壓面積逐漸減小。當其承載力無法達到設計承載要求時，就會出現坍塌，墻體承載能力也逐漸消失。基于這種情況，應重視結構柱和圈梁的設計，提高結構的彈性，從而消耗一部分地震作用力，避免建筑墻體的剛度快速衰退從而發生坍塌現象，或者延緩這種問題的發生，使建筑即使在中震與大震情況下，也不會出現快速坍塌。

（二）鋼筋混凝土結構設計

建筑的塑性變形大小需要通過鋼筋混凝土結構來控制，因此，鋼筋混凝土結構應滿足相關規范對其抗拉與屈服強度的要求，鋼筋混凝土結構的其他參數指標也應在合理范圍內，并且鋼筋混凝土結構的變形能力和屈服強度應有余量。因此，設計框架梁、柱結構時，應強化梁柱之間的結構延性，以提高其抗震性能。

另外，仍有少部分人認為，鋼筋混凝土強度高就代表性能好，在設計中需要避開這一誤區，應因地制宜地根據實際情況合理設計與分析。比如，混凝土強度越高，結構的脆性越強，相對應的結構的延性則越低，越不利于消耗地震作用。因此，結合抗震性能設計指標，如果抗震設防烈度為9度，混凝土強度最高采用C60；如果抗震設防烈度為8度，混凝土強度最高采用C70。在實際設計中，還要根據混凝土受壓構建的軸壓比進行調整、控制，確保結構設計符合相關規范的要求。

在鋼筋施工中，控制好箍筋的質量，對箍筋進行優化也可以取得理想的抗震效果。具體的優化途徑是：增強箍筋的抗變形能力、極限強度、耗能能力，可以根據箍筋的形式、間距、數量等充分考慮。

（三）通過抗震等級標準的融入優化構件設計

（1）設計工作者應按照市政建筑工程的具體高度來做好其建筑結構模式的區分，對不同高度情況下的建筑結構抗震等級要求加以綜合考慮，盡可能讓市政建筑結構有能力承受住一定等級的地震強度。這樣才可以有效確保其抗震性能，盡最大限度避免地震對市政建筑結構的破壞。

（2）因為建筑外觀會對其抗震能力產生直接影響，所以在具體的設計中，設計工作者也應該將市政建筑的外觀納入抗震設計，使其結構外觀和構件之間的情況得以有效衡量，并做好市政建筑結構外觀抗震效果的綜合評定，主要包括坡面結構、立面模型以及截面模型等的抗震性能綜合評定，保障市政建筑結構中的每一個立面效果都與其實際抗震需求相符。通過實踐與研究發現，如果建筑結構足夠規則，其抗震性能也會更好，這是因為規則的建筑結構空間配置具有對稱性特征，這樣便可實現整體結構承載力的均勻分布，其抗震性能也將得到進一步提升。

（3）在具體的市政建筑工程結構抗震設計中，設計工作者應該做好防震縫的添加，通過市政建筑工程實際施工情況與應用需求的全面考慮，對必要性的抗震單元進行合理設計，以此來有效降低抗側力給市政建筑工程結構帶來的不利影響，提升其抗震性能。在對防震縫進行設計的過程中，設計工作者一定要對其進行精準計算，以此來確保此項設計的可行性，實現市政建筑工程抗震能力的有效提升。

（四）減少地震的能量輸入

建筑物抗震效果的具體體現就在于設計過程中能否對地震所帶來的最大破壞力提前預測，并對建筑物的結構的形變能力做好提前的調整和規劃。對于建筑物的結構形變數值，設計單位應該對當地的具體情況進行充分調查以及對相應的公式進行有效運算，來保證建筑物的形變能力能夠充分適應地震的最大破壞能力，減少地震給建筑物帶來的能量輸入。

（五）合理選擇建筑的材料以及結構

為了確保建筑的材料良好，且結構具備合理性，在確定建筑選材時，應該首先考慮到建筑的防震性能，使其能夠維持建筑的整體穩定性，在進行選材時，首先考慮到不同地區的實際需求，選擇具有更高承載能力以及抗彎能力的材料類型，在建筑的縱向支撐結構中，通過運用更高承載能力的支撐材料，可以確保建筑物具有更好的抗震效果，在進行結構設計時，可以應用三角結構來替代傳統的框架結構，從而提升綜合抗震效果[8]。

（六）設置對應的抗震防線

抗震的過程中，需要做好抗震防線的設置，如果建筑物的結構相對較小，則需要對應的防線進行保護，一般小型建筑通過設置對應的抗震防線，在遇到地震后可以發揮較大的作用，能夠防止因為余震所導致的建筑物的坍塌變形，可以確保建筑物的實際使用壽命。

四、結論

通過對上文的描述和分析，在建筑結構設計中，進行抗震性能化設計，做好建筑結構延性設計，將其作為抗震性能的重要指標，可以提高建筑抗震性能。因此，為保證建筑抗震性能，降低財產損失，應重視建筑結構的延性設計，實現建筑的抗震性能化設計。基于建筑物結構性能的抗震設計是一個新型的建設領域和技術，它與傳統的防震設計相比更具有科學性、系統性、適應性和連貫性，能夠有效地提高我國建筑物的抗震體系構建。政府和建筑單位必須要清楚地認識到建筑物的結構抗震效果以及建設水平高低，這直接關乎我國居民的人身安全和財產安全。只有不斷地對我國建筑的防震設計和防震技術進一步優化升級，才能更好地保證我國居民的人身安全和財產安全。