建筑結構工程抗震設計的作用及其要點

文／李 淑 青島市城市建設設計研究院有限公司 山東青島 266000

谷家想 青島國立設計有限公司 山東青島 266000

郭燕文 中瀚國際建筑設計顧問有限公司 山東青島 266000

引言：

由于我國地處太平洋板塊和亞歐大陸板塊交接處，板塊運動較為活躍，并且在生態(tài)環(huán)境不斷惡化的背景下，地震頻率和強度等級持續(xù)提高，建筑的穩(wěn)定性和抗震性越來越重要，抗震設計的要求也越來越高。應充分意識到抗震設計的重要性，明確抗震設計的要點，提高抗震設計的合理性、可靠性以及經(jīng)濟性，將各個方面的因素有效控制，把地震災害的影響降至最低，為人們的生命財產(chǎn)安全提供有力保障。

1.建筑結構工程中抗震設計的作用

目前，我國因地震災害造成的建筑物坍塌屢見不鮮，不僅人員傷亡嚴重，經(jīng)濟損失也不可估量，所以地震災害的有效預防刻不容緩。建筑物作為人們生活、工作的重要場所，提高建筑物的抗震性能是切實可行的路徑，這就需要從優(yōu)化抗震設計入手，提高建筑物的穩(wěn)定性，為建筑工程的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎，建筑結構工程中抗震設計的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 降低地震破壞性

由于地震災害頻發(fā)，所以在建筑結構工程中抗震設計越來越受重視，也能顯著降低地震的破壞性。目前，較為常見的設計方法是在建筑基礎和主體之間加設隔震層，也有設計人員在建筑頂端加設“反擺”來減小地震的沖擊力。“反擺”的原理是降低地震沖擊力的運動加速度，以反向位移的方式將地震的沖擊力有效減小。通過相關調(diào)查顯示，加設“反擺”可以將地震對建筑物的沖擊力降低65%左右，對建筑和人員起到了良好的防護作用。目前針對加設“反擺”的針對性研究越來越多，取得了良好的研究成果，并且在實際應用中也起到了良好的保護作用。由此可見，良好的抗震設計能夠?qū)⒌卣馂暮Φ钠茐男杂行Ы档停瑥亩ＷC建筑物的穩(wěn)定性。

1.2 提高建筑物剛度

建筑物的剛度應結合具體的情況科學設計，目前，鋼筋混凝土在建筑工程中得到了廣泛的應用，顯著提升了建筑物的剛度，但通過在建筑物中加設鋼結構也是一種有效的加固技術，能夠進一步提升建筑物的穩(wěn)定性。建筑結構工程加固技術的選擇應充分考慮建筑物的實際功能，落實差異化的加固措施。其一是針對建筑物上層是鋼結構、下層是鋼筋混凝土結構的情況，兩種體系結構的形式不符合我國的抗震規(guī)范要求。其二是建筑的房蓋部分利用了鋼結構，建筑的主體部分仍是鋼筋混凝土，這就需要按照相關要求進行規(guī)范設計[1]。

1.3 加強建筑結構整體的抗震性能

為了增強建筑結構整體抗震性能，在進行抗震設計時首要考慮的就是地基的穩(wěn)定性。應盡可能選擇抗震性能良好的地基，保障在地震災害中地基的變形相對微小，從而整體性的提高建筑物穩(wěn)定性。同時，為了最大限度地開發(fā)地基的潛力，建筑結構設計時同一性質(zhì)的地基上只能修建相同建筑結構單元的建筑，在建筑物的設計和修建時應秉持規(guī)范性、對稱性原則，將地震災害中建筑物的形變量有效減小，從而避免建筑物扭曲的現(xiàn)象。為了將地震的沖擊力均衡作用在建筑物上，應在建筑設計的過程中添加幾道抵抗線，保障建筑物結構的各個部分受力均勻，規(guī)避受力過于集中導致的形變問題。除此之外，為了降低地震災害對建筑物產(chǎn)生的沖擊影響，應適當減輕建筑結構自身重量，降低地基承擔的壓力荷載。

1.4 確保建筑物滿足抗震標準

目前我國建筑物結合功能可分為四類，其中甲、乙兩類建筑物的抗震性能最好，抗震設防烈度可以達到6-9度，并按照高于本地區(qū)抗震設防烈度一度的要求加強抗震設施。而丙、丁類建筑物的抗震性能則是當?shù)卣Y合地方實際情況制定，抗震設防烈度上有所差異，丙類建筑物按照地區(qū)抗震設防烈度進行設計，達到抵御罕遇地震的目標，丁類建筑物則是在地區(qū)抗震設防烈度要求上可適當降低抗震措施，但當處于6 度時不能進行降低。所以在進行建筑設計時應充分考慮建筑抗震設防標準。

2.建筑結構類型與抗震性能的關聯(lián)

2.1 建筑框架結構

框架結構中荷載力承載的主要部位是柱和梁，也是關乎建筑物穩(wěn)定性的重要結構。柱和梁的特點是自身重量較輕、容易定性，所以能夠滿足建筑穩(wěn)定性的標準，框架結構也是目前普及率最高的結構類型。建筑框架結構的施工工藝簡單、空間靈活性較高且建筑材料用量較少，所以備受建筑企業(yè)的青睞。但建筑框架結構也有著一定的劣勢，框架結構變形形態(tài)通常以剪切型出現(xiàn)，所以容易產(chǎn)生軟弱層和薄弱層，所以在施工過程中應密切關注控制層側向剛度和承載力比，盡可能提升框架結構的穩(wěn)定性。

2.2 剪力墻結構

剪力墻結構在建筑結構工程中的優(yōu)勢是側向剛度大、整體穩(wěn)定性良好，較為適用于高層建筑，劣勢是結構延展性較差，空間布置的靈活性不足。從目前的建筑物情況來看，剪力墻布置結構相對規(guī)則且分布較為均勻。在進行實際的抗震設計時應盡可能做到門窗洞口的上下交錯，針對建筑條件不允許的情況，應做好洞口周圍的受力分析，并采取有效增強建筑強度的措施[2]。

2.3 建筑筒體結構

建筑筒體結構通常在超高層建筑中較為常見，此種結構類型的優(yōu)勢是受力均勻、剛度大且整體穩(wěn)定性較強。建筑筒體結構根據(jù)外圍結構的差異可以分為筒中筒和核心筒兩種，根據(jù)筒體數(shù)量的差異可以分為多筒、雙筒和單筒。建筑筒體結構通過內(nèi)筒和外圍框架的作用力組成了抗震防線，顯著提升了建筑物的自身穩(wěn)定性。

3.建筑結構工程中抗震設計遵循的原則

我國社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化進程不斷加快，建筑工程的規(guī)模持續(xù)擴大、數(shù)量不斷增加，并且均朝著高層和超高層的趨勢發(fā)展，如此一來人口密度大幅提升，地震災害的影響力也進一步提升。因此，建筑結構工程中的抗震設計代表的意義越來越重大，必須要將相關的抗震問題有效解決，一方面提升建筑物對地震災害的防御能力，保障人們生命財產(chǎn)安全，另一方面則是延長建筑物使用壽命。在進行建筑結構工程的抗震設計時，應遵循以下三個方面的原則。

3.1 適用性原則

對于建筑結構工程抗震設計而言，應秉持因地制宜的理念，充分考慮不同地區(qū)的地質(zhì)條件、建筑物高度和類型等因素，保障經(jīng)濟性的前提下提高抗震性性能。針對地震災害頻發(fā)的地區(qū)而言，在建筑結構工程抗震設計時應盡可能多加幾道抗震防線。例如，可以有效應用框架剪力墻結構，剪力墻的優(yōu)勢在于側向剛度較強，在第一道防線中有效應用能夠起到良好的卸力作用，從而削弱地震造成的沖擊。目前來看，建筑結構工程抗震設計中核心筒結構和框架結構的應用較為普遍，大幅降低了房屋倒塌的概率，也是抗震設計的重中之重。

3.2 整體性原則

建筑結構工程抗震設計是一項整體性的工程，所以在進行抗震設計時必須立足于整體視角，對建筑物的承載性能、穩(wěn)定性、剛度、延性等綜合考慮，精確計算后按照建筑物的整體標準進行科學設計。例如，針對強柱弱梁、強節(jié)點弱構件的連接處應做好結構優(yōu)化，從而提升整體結構的抗震性能。除此之外，由于不同建筑物類型的差異性較強，所以抗震設計不能過于固化，而是要基于建筑物特點、施工要求進行科學設計。

3.3 彈性適中原則

建筑結構工程進行抗震設計時，應合理把握建筑彈性。建筑彈性不達標會導致建筑物承受沖擊的能力較差，容易在地震災害中出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，而建筑彈性超標，也會容易導致建筑內(nèi)部結構的細微形變，長此以往會影響建筑內(nèi)部結構的穩(wěn)定性，從而影響建筑物的安全使用。建筑彈性是抗震設計中不可忽視的重要因素，必須要確保彈性處在合理的范圍內(nèi)，保障建筑自身質(zhì)量的前提下盡可能減少外力作用的影響[3]。

4.建筑結構工程中抗震設計的要點

地震災害的破壞性較強，一旦發(fā)生會對建筑物產(chǎn)生較強的沖擊力，同時建筑物的使用功能正處于不斷完善的階段，所以建筑物的抗震性能要求也發(fā)生了較大的變化。在進行建筑結構工程的抗震設計時，應綜合考慮建筑物相關的一系列因素，如建筑場地、抗震防線設計等，使抗震設計最大限度地滿足建筑物的使用要求，并且抗震設計也要具備一定的前瞻性，結合建筑物未來的使用功能變化選擇相對應的抗震性能強化方式，如隔震加固法等，以抗震方法的科學使用提高建筑物的抗震性能，切實滿足建筑物的使用需求。

4.1 提升抗震設計等級

根據(jù)對我國地震災害的調(diào)研可知，結合地震烈度和地震動參數(shù)可以劃分為多遇地震、設防地震和罕遇地震三種類型，按照50年為期限，多遇地震烈度超越概率為63%，設防地震烈度超越概率為10%，罕遇地震烈度超越概率為2%—3%，按照重現(xiàn)期可劃分為50年、475年以及1600-2400年的地震。我國建筑物的抗震等級應根據(jù)地區(qū)情況差異進行針對性設定，部分建筑工程抗震設計專家表示，應適當提高建筑物的抗震等級，并做好抗震設計的嚴格檢查，保障抗震設計在實際的建筑工程中充分落實，提升建筑物的整體抗震性能，為人們營造安全穩(wěn)定的生活環(huán)境[4]。

4.2 科學選擇建筑材料

針對地震頻發(fā)地區(qū)而言，應選擇優(yōu)質(zhì)建筑材料，確保建筑材料具備良好的剛度、強度以及延展性，從而有效對抗地震災害。根據(jù)建筑抗震效果的相關調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，磚瓦類型的建筑物抗震性能較差，箱體式結構抗震性能良好，所以磚瓦結構的建筑物不斷減少，箱體式結構的應用范圍逐漸擴大。對于建筑材料的選擇來說，一方面要考慮好適用性和經(jīng)濟學，滿足建筑工程的功能需求，另一方面則是滿足建筑抗震的標準要求。在建筑物的抗震設計時，可以通過在建筑物底部鋪設黏土、砂石的方式來吸收地震災害的沖擊力。也可以對建筑物的地基進行改造，合理應用瀝青材料，提高建筑物的自身穩(wěn)定性。此外，在建筑材料的選擇時應盡可能選擇質(zhì)量輕的材料，減少建筑物本身承受的荷載力，從而保證抗震性能。

4.3 以力承載，延性基點

針對建筑物的抗震設計而言，提升建筑物剛度是設計的關鍵所在，通過合理設計柱、梁、墻，并選擇性能良好的建筑材料，如此才能利用支撐性結構有效消耗地震能量，提高建筑物的抗震性能。在進行建筑物的抗震設計時，應確保建筑物在地震災害中處于非彈性狀態(tài)，充分結合建筑物的抗震設防能力，將承載力和建筑物結構作為媒介，科學設計建筑物結構，將建筑物中可能發(fā)生非彈性反應的位置進行合理預測，隨后對這些結構進行針對性強化。最后，還應該對建筑物的整體結構進一步完善，通過對建筑物剛度的準確計算，確保其抗震性能良好[5]。

4.4 對薄弱部位重點設防

建筑物結構中不可避免的存在薄弱部位，而地震災害中薄弱部位也常常是引起建筑物變形、倒塌的關鍵所在，所以應對薄弱部位重點設防。建筑物本身具備一定的變形能力，一旦發(fā)生地震災害，薄弱部位容易發(fā)生位移，從而影響建筑物的穩(wěn)定性。所以，在進行建筑物的抗震設計時，應明確好建筑物的各個薄弱部位，并通過科學的抗震設計提高薄弱部位的抗震性能。此外，隨著時間的推移，建筑物整體抗震能力逐漸下降，這就要求在建筑物抗震設計時充分考慮建筑物的優(yōu)勢點和劣勢點，通過各項數(shù)據(jù)的收集與分析，明確具體的荷載情況，針對薄弱部位的問題及時解決，避免建筑物抗震性能受到影響。

4.5 合理設計建筑軸壓比和短柱

在進行建筑物的抗震設計時，應盡可能提升支柱的橫截面積，從而減小支柱的軸壓比，使支柱的受力面積大幅提升，避免鋼筋因縱向受力過大而出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，保持建筑物的抗震性能。建筑物中的支柱結構有著強度高、剛度高的特點，而這也整體性降低了建筑的延展性，一旦地震災害發(fā)生，建筑吸收和消耗的能量都極為有限，這就加大了建筑結構破壞的可能性。因此，為了降低地震災害中建筑結構的損壞程度，可以在建筑結構中增加弱梁，與支柱形成良好的協(xié)調(diào)作用，彌補延展性不足的缺陷，并且通過適當增大支柱的軸壓比，即可有效分散地震災害中的承載力。具體來說，高層建筑的底層支柱長細比應控制在4以內(nèi)，短柱的剪跨比也應控制在2 以內(nèi)。

4.6 建立完善抗震設計標準

我國的各個地區(qū)地震頻率、強度均有著不同程度的差異，所以抗震設計標準應結合地區(qū)實際情況合理設定，針對地震頻發(fā)地區(qū)，適當提高抗震標準，針對地震罕見發(fā)生的地區(qū)，則是要秉持小震不壞、中震可修、大震不倒的原則設定合理抗震標準。此外，不同的建筑結構也應結合針對性的要求設計差異化的抗震標準，例如框架結構和抗震墻結構應采取差異化的抗震標準，如此才能確保建筑抗震性能良好。針對地震頻發(fā)地區(qū)，可將消震法和隔震法有機結合，從而達到滿足相應的抗震要求。

5.建筑結構工程中抗震設計的優(yōu)化策略

5.1 建筑物造型抗震設計優(yōu)化

進行建筑結構工程抗震設計時，建筑物的整體布局和整體造型也是設計的重點內(nèi)容。因此，在進行建筑物的設計時，應避免過度追求美觀性的設計，而是要盡可能設計出規(guī)范、標準的形狀，如方形、矩形等，消除因形狀因素導致的受力不均，以對稱、規(guī)則的圖形設計方案保障建筑物內(nèi)部受力平衡，切實有效地增強建筑物的抗震性能。

5.2 建筑物平面抗震設計優(yōu)化

建筑結構受力均勻、承載力良好是建筑物投入使用的先決條件。因此在進行建筑物的抗震設計時，應體現(xiàn)出建筑物的功能性，完善平面抗震設計。如果建筑物的設計不平衡，一旦發(fā)生地震災害會導致建筑物各個部位受力情況不同，損壞程度也存在一定差異，而這也嚴重破壞了建筑物的墻體結構，影響了建筑物的抗震性能。因此，在進行建筑物的平面設計時，應將所有內(nèi)容充分考慮進來，通過精確化的數(shù)據(jù)計算，保障建筑物的各個房間、門窗位置等與建筑圖紙精確匹配，即便出現(xiàn)問題也能及時解決。在進行建筑平面設計的優(yōu)化時，可以將各個空間有機融合，將豎向建筑轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嬖O計，有效提高建筑物的整體剛度和抗震性能。

5.3 建筑物重要組成部分抗震設計優(yōu)化

地震災害是對建筑物整體結構的沖擊，所以應提高各個重要組成部分的抗震性能。如建筑物的樓梯間，發(fā)揮著重要的通行作用，在地震災害中承擔著疏散人群的重要任務，所以樓梯間的穩(wěn)定性至關重要，在進行樓梯間設計時應盡可能將其設計在建筑物的中間位置，保障其固有功能的充分發(fā)揮，為人群疏散提供十足的便利。同時，樓梯間是豎向結構，通過合理的抗震設計提高樓梯間的穩(wěn)定性，能夠整體性地提升建筑物抗震性能。在進行樓梯間的抗震設計時，要考慮樓梯間的使用特點，針對樓梯間的抗震設計問題充分解決，提高墻柱、梯板等核心結構的抗震性能，保障其剛度良好，以抵御地震災害的沖擊。

結語：

綜上所述，在地震災害造成的損失越來越嚴重的背景下，提高建筑結構工程的抗震性能至關重要。因此在建筑結構工程中，應給予抗震設計充分的重視，對結構特點、加固技術充分研究，考慮好多方面因素后，結合實際情況做好平面設計、造型設計以及重要組成部分設計，把控好抗震設計的要點，保證建筑物抗震等級符合實際建設要求。抗震設計必須始終滿足建筑物抗震性能的標準要求，貫徹落實因地制宜的理念，做好科學設計，最大限度地提升建筑物的抗震性能。