淺談建筑結構抗震的概念設計

【摘 要】建筑結構抗震設計中的概念設計是對建筑抗震設計的宏觀控制。本文根據地震的特點，從建筑物的場地選擇、平立面形式、結構布置、延性等方面論述了建筑結構設計中概念設計的內容。

【關鍵詞】建筑結構抗震概念設計

1 引言

在強烈的地震作用下，建筑物的破壞機理和過程是十分復雜的。目前對它還沒有充分認識。因此，要進行精確的抗震計算是困難的。上世紀70年代以來，人們在總結大地震災害經驗中提出了“概念設計”，并認為它比“數值設計”更為重要。

概念設計是指正確地解決總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。所謂的“概念”主要來自工程師本人所具有的設計經驗、力學知識和專業知識和實驗研究的成果等。

2 關于建筑結構抗震概念設計的概述

我國結構計算理論經歷了經驗估算、容許應力法、破損階段計算、極限狀態計算，到目前普遍采用的概率極限狀態理論等階段。現行的《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）則采用以概率理論為基礎的結構極限狀態設計準則，以使建筑結構的設計得以符合技術先進、經濟合理、安全適用的原則。概率極限狀態設計法更科學、更合理，但該法在運算過程中還帶有一定程度近似，只能視作近似概率法，并且僅憑極限狀態設計也很難估算建筑物的真正承載力。事實上，建筑物是一個空間結構，各種構件以相當復雜的方式共同工作，并非是脫離結構體系的單獨構件。

地震具有隨機性、不確定性和復雜性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數，目前是很難做到的。而建筑物本身又是一個龐大復雜的系統，在遭受地震作用后其破壞機理和破壞過程十分復雜。且在結構分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，也存在著不確定性。因此，結構工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決。應立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經驗總結的工程抗震基本概念，從“概念設計”的角度著眼于結構的總體地震反應，按照結構的破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關鍵部位的細節構造，從根本上提高結構的抗震能力。

3 抗震概念設計的基本原則與要求

3.1 選擇有利場地。造成建筑物震害的原因是多方面的，場地條件是其中之一。由于場地因素引起的震害往往特別嚴重，而且有些情況僅僅依靠工程措施來彌補是很困難的。因此，選擇工程場址時，應進行詳細勘察，搞清地形、地質情況，挑選對建筑抗震有利的地段，盡可能避開對建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險地段上建造可能引起人員傷亡或較大經濟損失的建筑物。

對建筑抗震有利的地段，一般是指位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土以及穩定基巖等。建造于這類場地上的建筑一般不會發生由于地基失效導致的震害，從而可從根本上減輕地震對建筑物的影響。對建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石和強風化巖石的陡坡、河岸和邊坡邊緣；就場地土質而言，一般是指軟弱土，液化土，故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖地基等，以及在平面分布上成因、巖性、狀態明顯不均勻的土層，高含水量的可塑黃土，地表存在結構性裂縫等。而地震時可能發生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及發震斷裂帶上可能發生地表位錯的部位則屬于建筑抗震危險地段。

3.2 采用合理的建筑平立面。建筑物的動力性能基本上取決于其建筑布局和結構布置。建筑布局簡單合理，結構布置符合抗震原則，可以有效避免地震時建筑發生扭轉和應力集中或塑性變形集中而形成薄弱部位，從根本上保證房屋具有良好的抗震性能。

經驗表明，簡單、規則、對稱的建筑抗震能力強，在地震時不易破壞；反之，如果房屋體形不規則，平面上凸出凹進，立面上高低錯落，在地震時容易產生震害。而且，簡單、規則、對稱結構容易準確計算其地震反應，可以保證地震作用具有明確直接的傳遞途徑，容易采取抗震構造措施，進行細部處理。

3.3 選擇合理的結構形式。抗震結構體系是抗震設計應考慮的關鍵問題。按結構材料分類，目前主要應用的結構體系有砌體結構、鋼結構、鋼筋混凝土結構、鋼-混凝土結構等；按結構形式分類，目前常見的有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構、簡體結構等。結構體系的確定受到抗震設防烈度、建筑重要性、房屋高度、場地、地基、基礎以及建筑材料、施工條件、經濟條件等諸多因素影響，是一個綜合的技術經濟問題，需進行周密考慮確定。

抗震規范對建筑結構體系主要有以下規定：①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；②結構體系宜具有多道抗震防線，應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力；③結構體系應具有必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力；④結構體系宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產生過大的應力集中或塑性變形集中，對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力；⑤結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近，在結構布置時，應遵循平面布置對稱、立面布置均勻的原則，以避免質心和剛心不重合而造成扭轉振動和產生薄弱層。

3.4 提高結構的延性。結構的延性可定義為結構在承載力無明顯降低的前提下發生非彈性變形的能力。結構的延性反映了結構的變形能力，是防止在地震作用下倒塌的關鍵因素之一。

結構良好的延性有助于減小地震作用，吸收與耗散地震能量，避免結構倒塌。而結構延性和耗能的大小，取決于構件的破壞形態及其塑化過程，彎曲構件的延性遠遠大于剪切構件，構件彎曲屈服直至破壞所消耗的地震輸入能量，也遠遠高于構件剪切破壞所消耗的能量。因此，結構設計應力求避免構件的剪切破壞，爭取更多的構件實現彎曲破壞。始終遵循“強柱弱梁，強剪弱彎、強節點、弱錨固”原則。構件的破壞和退出工作，使整個結構從一種穩定體系過渡到另外一種穩定體系，致使結構的周期發生變化，以避免地震卓越周期長時間持續作用引起的共振效應。

3.5 確保結構的整體性。結構是由許多構件連接組合而成的一個整體，并通過各個構件的協調工作來有效地抵抗地震作用。若結構在地震作用下喪失了整體性，則結構各構件的抗震能力不能充分發揮，這樣容易使結構成為機動體而倒塌。因此，結構的整體性是保證結構各個部分在地震作用下協調工作的重要條件，確保結構的整體性是抗震概念設計的重要內容。

為了充分發揮各構件的抗震能力，確保結構的整體性，在設計的過程中應遵循以下原則：①結構應具有連續性。結構的連續性是使結構在地震作用時能夠保持整體的重要手段之一。②保證構件間的可靠連接。提高建筑物的抗震性能，保證各個構件充分發揮承載力，關鍵的是加強構件間的連接，使之能滿足傳遞地震力時的強度要求和適應地震時大變形的延性要求。③增強房屋的豎向剛度。在設計時，應使結構沿縱、橫2個方向具有足夠的整體豎向剛度，并使房屋基礎具有較強的整體性，以抵抗地震時可能發生的地基不均勻沉降及地面裂隙穿過房屋時所造成的危害。

3.6 處理好非承重結構構件和主體結構的關系。抗震設計中，處理好非承重結構構件和主體結構的關系，可防止附加震害，減少損失，因此，附屬結構構件，應與主體結構有可靠的連接和錨固，避免倒塌傷人和砸壞重要設備。圍護墻和隔墻應考慮對結構抗震的不利或有利影響，避免不合理的設置而導致主體結構的破壞。例如，框架或廠房柱間的填充墻不到頂，使這些柱子形成短柱，在地震中極易造成破壞。

4 結語

我們掌握概念設計，將有助于明確抗震設計思想，靈活、恰當地運用抗震設計原則，使我們不致陷于盲目的計算工作，從而做到比較合理地進行抗震設計。應當指出強調概念設計重要，并非不重視數值設計。這正是為了給抗震計算創造有利條件，使計算分析結果更能反映地震時結構反應的實際情況。

參考文獻：

[1]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010. 中國建筑工業出版社，2010

[2]《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223-2008，中國建筑工業出版社，2008

[3]《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2002，中國建筑工業出版社，2002