分析建筑結構設計中抗震設計的應用

摘要：在結構設計中，抗震設計對建筑的重要性，地震作用影響因素極為復雜，它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用，目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法，要進行精確的抗震計算還有一定的困難，但是近年來，地震等自然災害多發，影響到人們的基本生活和生命財產安全，因此，建筑（尤其是高層建筑）抗震安全問題必須引起建筑師們的高度重視。本文就高層建筑結構的抗震性能作出相關分析，以供參考！

關鍵詞：建筑結構；抗震設計；問題分析

據統計，全球每年平均發生500萬次左有的地震，其中5級以上的強烈地震約1000次左右。如果強烈地震發生在人類聚居區，就會造成地震災害。為了抗御與減輕地震災害，有必要進行建筑結構的抗震分析與抗震設計。抗震規范提出了一系列的抗震設計基本要求，要求設計人員注意抗震概念設計，全面、合理的概念設計有助于明確設計思想，靈活、恰當地運用抗震設計原則使設計人員不致陷入盲目的計算工作，從而做到比較合理的抗震設計。

一、抗震設計思路

分析的結構抗震設計能夠作為一種主動設計手段，指導設計人員有針對性地進行結構方案調整和局部構件調整，優化結構設計，在提高結構安全性的同時實現經濟性。結構抗震設計思路經歷了一系列變化，我國抗震設計規范規定建筑結構在抗震設計時，應遵循三個水準的抗震設防目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。在這種設計思想下，結構抗震設計已經經歷了剛性設計、柔性設計、延性設計和結構控制設計4個階段。隨著對結構非線性性能的研究，人們發現設計結構所取的地震作用只是賦予結構一個基本屈服承載力，當發生更大地震時，結構的控制部位進入屈服后非彈性變形狀態，并靠其屈服后非彈性變形能力來承受地震作用。從而形成了結構在一定水平地震作用下進入屈服，并達到屈服后非彈性變形狀態來耗散能量的現代抗震設計理論。現代抗震設計思路，其主要內容是：合理選擇確定結構屈服水準的地震作用。先以具有統計意義的地面峰值加速度作為該地區地震強弱標志值（中震），再以通過地震力降低系數R得到的設計用地面運動加速度（小震）來進行結構的強度設計，從而確定結構的屈服水準；采取有效的抗震措施滿足結構設計時的對應的延性能力。

二、建筑結構的抗震設計

（一）建筑結構抗震規范

建筑結構抗震規范是由各國的建筑抗震經驗總結出來的，具有一定的權威性，是指導建筑抗震設計的法定文件。它具有堅定的工程實踐基礎充分保證了建筑工程的安全性，因此在建筑結構的抗震設計中要嚴格遵守此規范，容不得半點馬虎。

（二）抗震設計理論

抗震設計理論主要有擬靜力理論、反應譜理論和動力理論。根據擬靜力理論，地震力的大小等于結構的重量乘以地震系數。反應譜理論是加理工學院的一些研究學者對地震動加速度記錄的特性進行分析后取得的一個重要成果。動力理論也稱地震時程分析理論，它把地震作為一個時間過程，選擇有代表性的地震動加速度時程作為地震動輸入變量，把建筑物簡化成多自由度的體系，從而計算得到每一時刻建筑物的地震反應，最終完成抗震設計工作。

（三）選擇有利的抗震場地

選擇對建筑抗震有利的場地，宜避開對建筑抗震不利的地段，不應在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。地震造成建筑物的破壞，除地震動直接引起的結構破壞外，場地條件也是一個重要的原因。地震引起的地表錯動與地裂，地基土的小均勻沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。對于地震時可能導致滑移或地裂的場地，應采取相應的地基穩定措施。

（四）設計合理的建筑結構參數

計算分析參數設計，就是進行建筑各構件的地震響應和地震作用計算，各墻柱梁板變形及承載力計算包含于其中。把正確的計算模型建立在建筑結構的實際工作狀況基礎上，并根據概念設計做適當的簡化處理、計算。多遇地震作用下的復雜結構進行變形、內力分析時，應采用的力學模型不少于兩個，且不相同，其計算理論主要有兩種，即主拉應力與剪摩理論。其中，主拉應力理論適用于磚砌體，而剪摩理論適用于砌塊結構。應認真分析判斷計算機的計算結果，確認其合理、有效后，才能用于工程設計。結構的位移、剪重比、自振周期等是結構計算控制的主要計算結果。

（五）設計多道抗震防線

避免因部分結構或構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或對重力的承載能力。一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成.并由延性較好的結構構件連接起來協同丁作。一般情況下，應優先選擇不負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選用軸壓比不太大、延性較好的抗震墻等構件，作為第一道抗震防線的抗側力構件。框架）抗震墻結構體系中的抗震墻、處于第一道防線，當抗震墻在一定強度的地震作用下遭受可允許的損壞，剛度降低而部分退出工作并吸收相當的地震能量后，框架部分起到第二道防線的作用。這種體系的設計既考慮到抗震墻承受大部分的地震力。在地震作用下，梁處于第一道防線，其屈服先于柱的屈服，首先用梁的變形去消耗輸入的地震能量。使柱處于第二道防線。為使抗震結構成為具有多道抗震防線的體系，也可在結構的特定部位設置專門的耗能元件。

（六）合理的剛度和強度分布

產生過大的應力或塑性變形集中，對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。結構在強烈地震下不存在強度安全儲備、構件的實際強度分布是判斷薄弱層（部位）的基礎。另一方面，在抗震結構體系中，應使其結構構件和連接部位具有較好的延性，以提高抗震結構的整體變形能力。具體要求如下：首先，提高抗震結構構件的延性、改變其變形能力，力求避免脆性破壞；為此砌體結構應按規定設置鋼筋混凝土圈梁和構造柱、芯校、或采用配筋砌體和組合砌體柱等；鋼筋混凝土構件應合理的選擇尺寸、配置縱向鋼筋和箍筋。避免剪切破壞先于彎曲破壞，避免混凝土的受壓破壞先于鋼筋的屈服，防止局部或整個構件失穩。其次，保證抗震結構構件之間的連接具有較好的延性、是充分發揮各個構件的強度、變形能力，從而獲得整個結構良好抗震能力的重要前提。為了保證連接的可靠性，構件節點的強度不應低于其連接構件的強度，預埋件的錨固強度不應低于其連接構件的強度；裝配式結構構件之間應采取保證結構整體性的連接措施。

（七）避免抗震支座產生拉應力

為避免抗震支座產生拉應力，應把高寬比作為抗震建筑設計的限制條件之一。高寬比的上限取決于抗震支座總水平剛性的自振周期，并與自振周期成正比。把上部結構設定為剛體，使地震輸入的能量與抗震裝置吸收的能量平衡，以地震加速度作用的一剎那抗震支座不產生拉應力為目標。高寬比相同的建筑物，盡量使建筑物的軸力集中于建筑物的兩端，可延緩拉應力的產生。

（八）抗震裝置布置

在抗震建筑的設計中，原則上應使抗震層所有抗震構件的剛心與上部結構的重心一致，不產生扭轉。但是，由于建筑物的不規則和柱網尺寸的限制，僅靠柱下配置的抗震支座會產生抗震層的剛心與上部結構的重心不一致。采用與抗震支座獨立的阻尼器設計，在阻尼器的彈性范圍內，可以使抗震層的剛心與上部結構的重心一致，避免抗震層的振動扭轉。如果阻尼器布置在建筑外周，抑制扭轉變形的效果會更好。

三、結語

地震是一種目前難以準確預測的自然災害，為避免它給人類帶來大的災難。作為工程技術設計人員在建筑結構的研究和工程設計中，應從整體宏觀的觀點出發，綜合處理好建筑功能、技術、藝術、安全可靠性和經濟合理等幾方面內容，從而創造出更加安全、適用、經濟美觀的高層建筑新型結構的出現，高性能材料的發展，計算機技術水平的提高，促使人類建筑精品再上新的臺階。