建筑結構抗震設計過程概述

徐偉

【摘 要】地震作為自然界的一種特殊現象，其發生不可預知且破壞力巨大，由此引起的建筑物倒塌、人員傷亡已經深深刺痛了人類敏感的神經。多年來，許多學者、專業都圍繞建筑結構抗震開展了大量卓有成效的研究，取得了很多成果。我國近幾年大震頻發，大量的災后調查發現，合理的建筑結構抗震設計措施可以在很大程度上降低地震所引起的建筑物損害。本文筆者結合自身結構設計工作實踐中，從抗震概念設計、抗震計算以及結構抗震構造措施三個方面出發對建筑結構的抗震設計進行了討論，以期能對同仁有所幫助。

【關鍵詞】建筑結構；抗震設計；概念設計；抗震構造

近年來，世界范圍內地震頻發，人們對建筑結構抗震的研究也愈發重視，相關的抗震理論、抗震設計思路以及設計方法也愈加成熟。現代建筑結構抗震設計理論已經由最初的基于經驗的彈性設計理論轉變為基于非線性理論的彈塑性理論，允許結構發生屈服產生一定量的非彈性變形從而起到消耗一部分地震能量的目的。總的來看，建筑結構的抗震設計過程可以概括為：抗震概念設計、抗震設計以及結構抗震構造措施這三個方面。

1 抗震概念設計

1.1 抗震概念設計的含義

概念設計不需依靠數值計算進行，而是以結構破壞機理、結構體系整體與分體力學關系分析、結構震害試驗以及工程經驗等為基礎，總結出相關的宏觀經驗用以指導設計過程中結構方案的確定、結構的布置以及計算簡圖和計算結果的處理。在結構設計過程中，抗震概念設計主要用于解決一些較為復雜難以進行計算或規范中無具體規定的問題。

1.2 抗震概念設計的重要性

結構抗震設計時，數值計算的同時進行必要的概念設計意義重大。首先，地震的發生具有隨機性以及不可預測性，地震動也具有十分明顯的隨機性和復雜性，而地震作用下結構的反應相應的非常復雜，僅靠數值計算難以準確把握相關規律；其次，當前背景下的抗震設計理論都建立在一定假設基礎上，并不能完結構的地震受力、變形以及破壞過程。

因此，在結構抗震設計過程中有必要進行相應的概念設計，這樣有利于提高結構設計的準確性，增強結構的安全性。

1.3 抗震概念設計的應用與發展

20世紀70年代以來，大量的震害經驗表明結構抗震設計中“計算設計”存在一定的缺陷，有必要開展相應的“概念設計”。隨后，概念設計的應用與發展在我國歷年的《建筑抗震設計規范》中得到鮮明體現，結構工程師逐步將概念設計應用于實際工程，并取得了良好的效果。

傳統意義上的結構抗震設計，焦點都放在如何提高結構的承載能力，不可避免地引起結構混凝土強度等級以及配筋率的提高，相應的建筑的造價也提高。結構配筋率提高，結構承載能力雖有提高，但是考慮到結構的地震作用效應與結構的剛度成正比，而增加結構的配筋卻提高了結構的剛度，因此，加強了地震作用效應。概念設計從降低地震作用效應出發來避免這個矛盾而達到提高結構的抗震安全性能。最典型的方法就是隔震消能法，這種方法的根本是依靠設置在基礎與主體之間的柔性隔震層來加大結構的阻尼，抑制結構的振動，減少結構的加速度、位移，最終降低結構的地震作用效應。相關的理論分析證明通過這種概念設計方法可以將結構地震作用效應降低4成，值得大力應用實踐。

隨著經濟社會的不斷發展，人們對于現代建筑的結構形式也越趨復雜化。為了滿足人民群眾的需求，結構設計人員必須提高對概念設計重要性的認識，不斷探索先進的計算理論，同時注重借助現代計算機強大的數值計算能力，讓建筑結構能夠滿足功能性、安全性以及經濟性的要求。

2 結構抗震計算

結構抗震計算工作包括地震作用計算與結構抗震變形驗算這兩方面任務。

2.1 地震作用計算

除8、9度時的大跨度結構與長懸臂結構以及9度時的高層建筑需要計算豎向地震作用外，一般結構抗震設計僅僅需要驗算結構在其2個主軸方向的水平地震作用下的強度、剛度以及穩定性，同時認為不同方向的結構水平地震反應完全由相應方向的抗側力構件承擔。若建筑結構中含有交角超過15o的斜交抗側力構件，則應進行各抗側力構件所在方向的水平抗震計算。此外，對于質量、剛度分布不具備對稱性的結構還應驗收結構構件在雙向水平地震作用下的扭轉效應，而調整地震作用法也是考慮其他特殊結構中扭轉效應的有效途徑。

目前常用的結構抗震計算方法主要包括底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法三種。其中，前兩種方法是基本方法，而時程分析法主要用于對嚴重不規則、特別重要性或是高度較高的高層建筑進行抗震補充計算。其中，時程分析法（又稱動態設計法）是在地震作用下對結構的基本運動方程進行積分，求得結構在整個地震歷程中的動態反應的方法。具體實施時，選取與建筑場地相適應的若干地震動加速度記錄或人工地震動加速度時程曲線波作為輸入結構基本運動方程的地震作用，由輸入地震動初始狀態逐步積分至地震結束。通過積分轉換最終不僅可以得到結構的速度、加速度反應時程曲線，還可以進一步得到結構的內力、位移等時程曲線，結構設計人員可以據此對結構構件的抗震承載力與變形驗算。

2.2 結構抗震變形驗算

通常情況下，結構抗震變行驗算方法根據多遇地震作用與罕遇地震作用分為以下2種類型：

2.2.1 多遇地震作用

在驗算不同結構物在多遇地震作用下的變形量時，對其樓層內最大的彈性層間位移作如下限定：

△Ue≤[Qe]h

2.2.2 罕遇地震作用

在罕遇地震作用下，下列結構應進行彈塑性變形驗算：①高大單層廠房的橫向排架（8度地震III、Ⅳ類場地或與9度地震）；②鋼筋混凝土框架結構（7、8、9度地震且結構ξy<0.5）；③鋼結構（高度150m以上）；④結構抗震設計中有隔震與消能減震措施的的建筑結構。

3 抗震構造措施

3.1 砌體結構

磚混結構主要通過采取一定的構造措施來達到抗震目的。常用的抗震構造措施包括設置圈梁、構造柱以及對墻體進行加固等。在磚混結構中設置圈梁與構造柱，使二者相互連接組成封閉骨架，增強結構的整體性能，最終提高整個結構的抗震能力。構造柱通常設置在結構的外墻轉角、內外墻交接部以及樓梯間的四角位置。而加固墻體則需要將墻體原有抹灰鑿除，取而代之采用高標號水泥砂漿抹灰或采用鋼筋網加砂漿抹灰，通過這種方式增強磚混結構的水平承載力。

3.2 鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土結構抗震構造一方面通過對構件截面h/b、承重柱u =N/（A·fc）以及構件ρmin等指標進行控制來實現，另一方面在填充結構中布置拉結筋、按規定在填充墻中設置構造柱、短柱全高加密布箍等。

4 結語

總而言之，建筑結構抗震設計是一個系統的過程，必須從全局出發、通盤考慮。結構設計人員應當做好結構抗震概念設計、抗震計算以及建筑結構抗震構造措施的控制，這樣才能盡最大限度地保證結構的抗震安全性能，有利于避免或降低結構的安全性能。

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[責任編輯：丁艷]