建筑結構抗震優化設計研究

王友三

摘要： 建筑工程與社會經濟發展有著密不可分的聯系，對人們生活安全也有著密切影響。隨著技術的發展，以及人們對建筑物審美、功能性要求的逐漸提高都促使建筑物在高度、安全性、功能性方面有著顯著提升。其中，建筑結構抗震性設計對工程建設安全性提升起到了關鍵性作用，加之目前新型材料的應用以及施工技術、管理水平的提升都使得抗震設計研究有了更大的應用空間。本文就建筑結構抗震優化設計進行研究探討。

Abstract： Construction engineering and social and economic development are inextricably linked， and have a close impact on people's safety. With the development of technology， as well as people's demand on the building aesthetic and function is gradually increased， so the depth， safety and function of building has been significantly improved. Among them， the seismic design of building structure has played a key role in improving the safety of engineering construction. Due to the application of new materials and the improvement of the construction technology and management level， the seismic design research has more application space. In this paper， the seismic design of building structures is discussed.

關鍵詞： 建筑結構；抗震設計；優化；研究

Key words： building structure；seismic design；optimization；research

中圖分類號：TU352.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）35-0086-02

1 高層建筑抗震設計的必要性探討

高層建筑抗震設計對建筑安全有著重要的影響，因此抗震設計如何使建筑物更加穩固是目前必須要加強的研究工作。隨著近些年地震災害的危害，結構工程師逐漸對建筑抗震設計更加重視，其中工程結構宏觀的“概念設計”遠比“數值設計”抗震效果明顯的多。建筑結構概念設計的提出是以建筑物宏觀整體為基礎，并根據其內部結構系統整體進行方案的實施，同時對細部構造以及材料進行合理使用，以此來達到建筑結構設計應有的效果。

建筑結構設計過程中對于結構體系、構件延性、剛度分布要在宏觀上進行鑒別、選擇和處理，對高層建筑抗震設計中的薄弱環節要通過適當計算及構造進行消除。建筑結構設計工程師要充分運用自身敏捷的思維能力和判斷能力對建筑結構設計基本問題進行確定，并延伸至設計的各個環節中。對建筑結構抗震特點、振動中的結構受力特性等進行充分的理解和分析，對關鍵問題重點對待，科學合理地進行結構設計。

2 影響建筑結構抗震能力的主要因素

建筑結構整體抵御地震作用的能力被稱之為抗震能力，建筑結構的變形能力和承載能力決定了建筑物結構抗震能力的強弱，也直接決定了建筑物在地震過程中面臨倒塌的風險程度。

一般而言，對建筑結構抗震力起到影響作用的因素主要分為以下幾點：①結構總體布置。高層建筑結構體形設計情況、結構是否對稱、強度剛度變化是否做到連續、均勻，結構的總體布置水平對建筑抗震能力有著較大影響。②結構選型。不同的地質特征要針對性的進行結構類型的選擇，超靜定次數要保證，以此對地震輸入能量進行盡可能的消耗來提升建筑抗震可靠性。③結構整體性。增強建筑物豎向剛度的同時要注意各個構件之間的連接情況，保證建筑物的整體性，以此為基礎建立其適應地震時可能發生的大變形的延性要求。④材料選擇。建筑材料質量對結構質量起到了決定性作用，保證建筑材料質量是保障后續施工質量和抗震的基礎。⑤剛度、延性強度比例。建筑結構抗震能力的體現需要相匹配的剛度、延性、強度進行合適的配比，這是建筑結構抗震的內在需求。⑥建筑場地。建筑施工前要對建筑場地進行細致的勘察勘探，選擇有利的施工場地，對存在不利因素的場地要盡量避讓。⑦施工質量。施工過程中對材料的使用不當、幾何特征的破壞等等都可能會建筑的實際抗震能力造成影響。

在進行建筑結構抗震設計過程中，要注意以上建筑抗震能力影響因素，以科學合理地進行抗震設計，保證建筑物抗震能力。

3 高層建筑抗震結構設計的基本原則

3.1 結構構件設計原則

結構構件在設計時要遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱（墻）”的原則。對于建筑結構中較為薄弱的部位進行高抗震能力設計。結構構件在承載力、剛度、強度、穩定性、延性、耗能方面應滿足設計要求，主要耗能構件在延性和剛度方面應具有較高水平，承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

3.2 盡可能設置多道抗震防線

抗震結構體系的完整性是通過多個延性較好的分體系支持組成的，各個體系間通過延性較好的結構構件連接并進行協同工作。簡單以框架剪力墻結構來說，即是由延性框架和剪力墻兩部分組成。

在建筑抗震結構設計過程中要考慮到強烈地震過后的余震，只設一道防線的情況下，一旦遭遇余震，則建筑物很可能不堪重負最終倒塌。抗震結構設計時，要使建筑物具備最大可能數量的內部和外部冗余度，同時建立屈服區并進行合理分布。保證主要耗能構件具有較高的延性和剛度、強度，提升吸收和耗散地震能量的能力，使建筑物在地震中避免倒塌或者屹立的時間更久。通過對結構構件強弱關系的處理，使地震時樓層內的主要耗能構件已經屈服的情況下，其他抗側力構件仍然能夠處于彈性階段以保持“有效屈服”的狀態，并保持較長時間，提升建筑結構的延性和抗倒塌能力。抗震設計中某部分結構設計強度較高則會使其他部位強度不同程度降低，所以設計過程中要注意對薄弱部位進行加強，施工過程中要考慮具體結構強度，在進行構件配筋時易改變抗側力強度，因此要謹慎對待。endprint

3.3 設計時對薄弱部位提高抗震能力

判斷建筑物薄弱部位的基礎是構件的實際承載能力情況，在強地震發生過程中構件強度安全儲備并不存在。設計時要保證建筑物樓層實際承載能力在地震來臨時保持均勻變化，當發生突發狀況實際承載能力與設計計算值的比值發生突變，會因為塑性內力的重新分布造成塑性變形。在設計過程中要注意局部承載力加強的同時要保證建筑結構整體的協調一致性。對薄弱部位要有意識的進行控制，提升其變形能力和承載能力，并且保證薄弱層不發生轉移，設計時需要將相關措施進行配合設計使用。

4 建筑結構抗震優化方法探討

根據影響建筑物抗震能力的影響因素以及建筑結構設計的原則，進行建筑結構抗震優化研究，提出相關方法和措施。

4.1 能力設計法

受到地震作用的超靜定性結構會出現延性破壞，基于此進行建筑結構抗震能力設計法的應用可以在保證滿足抗震要求的同時實現經濟性。能力設計法的本質是將控制理念與結構抗震設計相結合，加強應對結構破壞機制的能力。能力設計法對結構抗震性能與能力有著較好的控制力，使建筑抗震設計難度大大降低。

4.2 基于損傷與能量設計方法

建筑結構抗震優化設計中，從能量角度出發進行抗震設計的進行，主要是考慮到建筑結構承受地震影響時能夠更好地承受其破壞能量，并將能量以有效的形式傳導入建筑結構內部以進行分化消散。在發生地震時，建筑結構非彈性變形超過自身非彈性變形時，其建筑結構會受到一定程度的損傷，在建筑結構抗震設計過程中要將能量理念與非彈性變形相結合研究，對結構構件損傷納入研究范圍以最終提高建筑結構抗震能力。

4.3 基于位移設計方法，降低地震影響力輸入

地震過程中，由于地震強度的不同建筑物會進行不同程度的位移，以結構位移為參照基礎的結構設計方法能夠在滿足結構設計要求的同時有效控制建筑物位移情況。建筑抗震結構位移設計方法的應用，能夠有效滿足各種預定性能的目標要求。基于位移的設計方法應用能夠使地震強度與結構自身形成關聯性，并在地震時做出相應的反應，降低地震影響力輸入。

基于位移的結構抗震方法，設計時要對設計方案進行綜合定量分析，首先要保證建筑結構在收到地震影響時產生的形變在接受范圍內。設計時要針對地震影響力情況確定位移限值和變形值，要研究透徹建筑構件變形與位移的關聯。同時，在確定建筑構件構造時要考慮建筑界面應變分布情況的影響。根據位移設計方法，有效降低地震影響力輸入，保證建筑結構安全性。

4.4 加強抗震結構設計

建筑建設選擇的結構一般包括三種，即框-筒、筒-中筒以及框架-支撐體系，現在逐漸有更多的鋼鐵結構被應用到建筑工程中。基于現狀盡量選擇鋼骨混凝土結構、鋼結構以及鋼管混凝土結構等，可以有效減小柱斷面尺寸，對提高結構抗震性能具有重要意義。對于建筑結構抗震設計，需要從傳統硬性為主的抗震模式逐漸向柔性為主的抗震模式轉變，降低地震產生的影響力。另外，在確定抗震結構后，還需要做好對建筑材料的選擇，應根據施工需要對建筑材料性能進行全面分析，綜合考慮承載力、延性以及強度等方面要求。

4.5 增加抗震防線

通過增加抗震防線，在第一道防線遭到破壞后，還可以通過其他防線降低地震沖擊力對建筑結構造成的影響，可以有效提高建筑抗震性能，例如可以選擇用多個肢節與壁式框架的“框架剪力墻”結構來提高結構抗震性能。在框架剪力墻結構中，以剪力墻作為第一道抗震防線，因此為有效提高抗震性能應設置足夠多的剪力墻。減小地震能量的輸入和設置消能減震構件。強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。

5 結束語

高層建筑的發展與城市的發展具有密切的聯系，城市人口的密集、用地緊張，從而促進人們對高層住宅建筑的要求。建筑物的抗震設計是衡量建筑結構設計是否符合要求的重要指標，因此如何準確運用不同的抗震設計方法，合理的選擇與優化結構體系非常重要。經濟與安全的關系是結構抗震設計的重要技術措施。為了保證高層建筑結構在地震的作用下不被受到嚴重破壞以及保證人們的生命財產安全通過對高層住宅建筑結構的抗震優化設計，保證建筑具有良好的抗震性能以及安全性。

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