淺析建筑結構抗震設計

劉山越

（重慶宏源勘測設計有限公司，重慶 405499）

淺析建筑結構抗震設計

劉山越

（重慶宏源勘測設計有限公司，重慶 405499）

汶川地震、玉樹地震等給咱們中國人一個慘痛的教訓，也鳴響了中國建筑結構抗震的警鐘。原有建筑結構抗震設防烈度低使建筑物在地震中毀壞極多，損失慘重。因此，我們建筑結構設計和施工人員必須對建筑結構的抗震問題進行思考。本文主要對地震發生的特性、影響建筑結構抗震性能的主要因素、建筑結構的抗震分析方法等進行闡述和分析。

建筑結構；抗震；抗震加固

1.引言

我國東鄰環太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，是一個多地震的國家。有東西、南北兩條主要的地震帶貫穿我國，大多數城鎮都位于抗震設防區，其房屋結構都要進行抗震設計。抗震結構設計是房屋結構設計的主要部分，它關系居民的生命和財產安全。

1976年唐山大地震造成的人員傷亡和建筑物破壞極為嚴重，是世界地震史上罕見的嚴重地震災害。房屋建筑基本倒塌或嚴重破壞；人員傷亡率與房屋建筑倒塌率和嚴重破壞率隨地震烈度增加明顯上升。2008年的汶川地震中災區受損最嚴重的是砌體結構的房屋，其中沒有經過結構設計的村鎮砌體結構房屋占多數。磚砌體材料是脆性材料，容易發生脆性破壞，其抗壓性較強，但是抗彎能力很差，整體性比較差。而這些房屋的抗震構造又沒有達到建筑抗震設計規范的要求，所以當地震的烈度達到一定的高度時很容易就倒塌。

2.影響建筑結構抗震的主要因素

不確定性的地面運動的影響。地震動是地殼快速釋放能量過程中產生具有不確定性的多維振動，它是通過地震波的傳播實現的，它的隨機性和復雜性讓人難以預測。地震動的各個分量對建筑都具有危害作用，即一個豎向分量、兩個水平分量和一個轉動分量。地震災害具有突發性、破壞性、難以預測性，甚至是毀滅性的。

結構動力特性的影響。影響結構動力分析的因素主要有：結構質量分布不均勻；基礎與上部結構的協同作用；節點的非剛性轉動；偏心扭轉可能使位移增加；柱的軸向變形可能會使周期變長，加速度降低；

材料的影響。混凝土的彈性模量隨著時間的增長或應變的增大而降低，這意味著自振周期可能增長，而加速度反應將減小。

阻尼變化的影響。鋼筋混凝土結構阻尼比受震松動以后會變大，且自振周期變長。

基礎不同沉降量的影響。按一般荷載設計的框架結構，當地震系數大于0，基礎差異沉降可能造成實際彎矩與設計彎矩出現較大的誤差，而這種誤差在設計中一般未予考慮。

建筑結構的施工質量。施工質量是影響結構抗震能力的一個重要因素。施工的任一環節都可能對建筑結構的抗震性能造成重要影響。這就是為什么“豆腐渣工程”的抗震性能總是和設計值相差甚遠。

3.建筑結構抗震設計方法

3.1 結構地震分析法

結構抗震設計的首要任務就是對結構最大地震反應的分析，需要確定內力組合及截面設計的地震作用值。常用的地震分析法有底部剪力法、彈性時程分析方法、振型分解反應譜法、非線彈性靜力分析法以及非線彈性時程分析法。其中最為簡單的屬底部剪力法，其在質量、剛度沿高度分布較均勻的結構中較為適用。假設結構的地震反應以線性倒三角形的第一振型為主。并通過第一振型周期的估計來確定地震影響系數。對于較為復雜的結構體系，采用振型分解反應譜法來計算，它的思路就是根據振型疊加原理，將各種振型對應的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結構總的地震作用、作用效應。

而彈性時程分析適用于特別不規則和特別重要的結構中，將建筑物看作彈性或彈塑性振動系統，直接輸入地面振動加速度記錄，對運動方程積分，從而得到各質點的位移、速度、加速度和剪力時程變化曲線。非線彈性時程分析法可以準確完整的反映結構在地震作用下反應的全過程。按非線彈性時程分析法進行抗震設計，能改善結構抗震能力和提高抗震水平。非線彈性靜力分析法考慮了結構彈塑性特性，在結構分析模型上施加某種特定傾向力模擬地震水平側向力，并逐級單調增大，構件一旦屈服，修改其剛度直到結構達到預定的狀態。

3.2 結構抗震設計方法

為了確保建筑結構的抗震能力最佳，所設計的結構在強度、剛度、延性及耗能能力等方面都達到最佳，質量分布均勻，平面對稱、規則抗側向力較好的體系及剛度與承載能力變化連續的結構體系是優先考慮的設計方案，從而經濟地實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。

（1）根據我國的抗震設計規范，建筑持力層的選擇非常重要，它關系著整個建筑物的安全性能，同時規范還指出，建筑的形體要適當，要求建筑的形狀及抗側力構件的平面布置宜規則，并有整體性，不宜用軸壓比很大的鋼筋混凝土框架柱作為第一道防線。

（2）抗震結構體系布置是建筑結構抗震設計的關鍵問題，如房屋建造中框架結構體系和砌體結構的選擇問題。地震后會有余震，抗震結構體系應具有多道抗震防線。如框架結構設計中為了避免部分構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力，將不承受重力荷載的構件用作傳遞途徑。

（3）傳統的結構抗震是通過增強結構本身的抗震性能(強度、剛度、延性)來抵御地震作用的，即由結構本身儲存和消耗地震能量。消能減震設計指在結構中設置消能器來消耗地震輸入的能量，減輕結構的地震反應，減小結構發生破壞和避免結構物直接倒塌以達到預期防震減震要求。隔震設計指在建筑物基礎與上部結構之間設置隔離層，即安裝隔震裝置，通過隔震裝置延長結構的基本周期，避免地震能量集中使結構發生屈服和破壞。這是一種以柔克剛積極主動的抗震對策,是一種新方法、新對策、新途徑。

（4）盡可能多設置幾道抗震防線，一個較好的抗震建筑結構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協同工作。強烈地震之后往往伴隨多次余震，如果只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌。如像教學樓這種相對大開間、單跨、大窗口、懸臂走廊的純框架結構，其縱、橫方向的剛度不均勻，很容易發生扭轉破壞，而整個結構只有框架一道防線，一旦柱子發生破壞，沒有其他約束措施，整個框架因喪失全部承載能力而倒塌。防止脆性和失穩破壞，增加延展性。設計不良的細部結構常常發生脆性和失穩破壞，應該防止。剛度的選擇有助于控制變形，在不增加結構的重量的基礎上，改變結構剛度，提高結構的整體剛度和延展性是有效的抗震途徑。

（5）場地條件就是導致建筑震害過于嚴重的關鍵因素，所以選擇最為有利的地形最大限度的防止建筑物出現在不利于抗震功能發揮的區域。選擇在抗震過于危險的區域來建造房屋，有可能對人們的生命財產安全帶來危害。在汶川地震時，北川縣城西的房屋建造在有滑坡隱患的山體之下，在地震的作用下，山體崩塌、滑坡，將大量的房屋掩埋，死亡1600人，損失慘重。

4 結語

隨著社會經濟的發展，為滿足我們的需求，越來越多的建筑物將隨之出現。建筑的抗震結構體系會由原本的硬性為主轉向以柔性為主，用“以柔克剛”的辦法對建筑結構構件進行消能減震與隔震，從而在一定程度上減弱地震對建筑物的損壞，以此實現抗震的目的。隨著建筑使用的材料的抗震性能的提高，建筑結構的抗震性能也會隨之提高；建筑結構抗震設計的腳步也會隨著新型材料的開發而邁向更高一層，采用層層修改，優化后的抗震方法設計來充分滿足高層建筑的抗震需求。

科學技術的進步帶動建筑行業發展，建筑結構抗震能力也隨著經驗教訓，科學發展，技術進步而日新月異。地震是自然災害，很難避免，但是只要我們恰當、靈活的采用各項建筑抗震原則，就能使建筑結構更為合理，抗震能力大大提高，從而減少人民群眾的生命財產損失,確保他們可以安居樂業。

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1007-6344（2015）06-0092-01