建筑工程結構設計中的抗震設計研究

文/ 湯愛博、牛兆暉 青島拓界建筑設計有限公司 山東青島 266011

1、地震對建筑結構破壞的特點

1.1 結構體系方面

采用“填墻框架的房屋結構，鋼筋混凝土框架結構平面內柱上端易發生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發生短柱型剪切型破壞；采用框架一抗震墻體系的房屋結構，破壞程度較輕；采用“底框結構體系的房屋，剛度柔弱的底層破壞程度十分嚴重；采用“填墻框架體系的房屋，當底層為敞開式框架間未砌磚墻，底層同樣遭到嚴重破壞；

1.2 剛度分布方面

矩形平面布置的建筑結構，電梯井等抗側力構件的布置當存在偏心時，因發生扭轉振動而使震害加重；采用三角形、L形等不對稱平面的建筑結構，同樣在地震作用因發生扭轉振動而使震害加重。

1.3 地基方面

在具有較厚軟弱沖積土層場地，高層建筑的破壞率顯著增高；地基土液化導致地基不均勻沉降，從而引起上部結構損壞或整體傾斜；建造在不利或危險地段的建筑工程，因地基破壞導致房屋損壞。當建筑結構的基本周期與場地自振周期相近時，因共振效應破壞程度將加重。

1.4 構件形式方面

在框架結構中，通常柱的破壞程度重于梁、板；鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻通常會出現斜向或交叉裂縫；配置螺旋箍筋的混凝土柱，當層間位移角達到較大數值時，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的抵抗能力；

2、建筑結構設計中抗震設計

2.1 基礎性防震措施應用

2.1.1 地基隔震

地基隔震是在建筑地基與土層之間設置緩沖層，以便在地震發生時減小建筑與土層之間的震動碰撞，實現對震能的有效吸收和反射作用，減小地震對建筑物的破壞。目前，我國最常使用的地基隔層為瀝青原料隔震層。

2.1.2 基礎隔震

基礎隔震是整個建筑結構抗震設計中的關鍵，想要降低地震對建筑物的破壞，就必須要做好基礎隔震措施。在對建筑基礎采取抗震措施時，為了減小地震對上部結構的破壞，需要在建筑物的上部結構和基礎位置接觸處設置隔震層，防止地震力由地基處向上部結構傳播，降低地震對建筑上部結構的破壞。基礎抗震裝置一般采用混合隔震裝置、基底滑移隔震裝置和夾層橡膠隔震裝置等。

2.1.3 間層隔震

間層隔震是為了吸收地震的沖擊余力而設置的，間層隔震的有效設置能夠對震力進行再次削減，以達到降低地震對建筑的破壞作用。間層隔震一般都安裝在原始結構層上，其實我國最早使用的抗震措施，具有施工操作簡單的優勢。

2.1.4 懸掛隔震

懸掛隔震是通過懸掛的方式，將建筑物全部或部分結構脫離地面，從而在地震出現時，降低地面震動與建筑物之間的震力作用。目前，此種抗震措施多用于大型鋼結構建筑當中，收到了較為不錯的抗震效果。

2.2 選擇有利于抗震的建筑平面和立面布置

2.2.1 建筑的體型要簡單，平立面布置宜規則

體型簡單和規則的建筑，受力性能明確，設計時容易分析結構在地震作用下的實際反應及其內力分析，且結構細部的構造也易于處理。所以這類結構遭遇地震后其震害相對都較輕。反之，建筑體型不規則，平面上曲出凹進，立面上高低錯落。易于形成剛度和強度上的突變，引起應力集中或變形集中，也容易形成薄弱環節，往往造成比較嚴重的危害。

2.2.2 建筑的平、立面剛度和質量分布力求對稱

建筑的剛度和質量分布不對稱、即使在地面平動分量作用下也會發生扭轉振動，從而造成比較嚴重的危害。所以，建筑或其獨立單元應力應求剛度、質量的對稱，使其質心與剛心重合或偏心很小。

2.2.3 建筑的質量和剛度變化要均勻

建筑的質量和剛度沿豎向分布往往是不均勻的、例如，由于建筑的豎向收進，地震時收進處上、下部分振動特性不同，易于在收進處的橫隔層（樓板）產生應力突變，使豎向收進的凹角處產生應力集中；又如，在建筑物底層設置上下不連續的抗震墻（ 如底層框支抗震墻）、使建筑物沿豎向的不均勻性；框架的填充墻在層高范圍內未連續設置或存在樓層的錯層，使框架形成短柱。也易于造成危害。設計時對上述質量和剛度沿豎向分布不連續的情況應加以限制、采取必要的構造措施。

2.3 軸壓比和短柱設計

在建筑結構抗震設計中，為了提高結構的抗震性，需要減小柱的軸壓比，增大柱的截面尺寸。減小柱軸壓比的主要目的是為了使柱子處于大偏心受壓狀態，避免縱向受力鋼筋未達到受拉屈服而混凝土卻被壓碎的情況發生。由于柱的剛性強度比較高，使得整體結構的延性就差，當發生地震災害時，結構吸收地震能量和耗散能量就少，使得結構很容易發生破壞。所以在高層結構設計時，通常采用強柱弱梁設計方法，且梁具有很好的延性，可以發生適量的變形，就會減少柱子進入屈服強度的可能性，且在設計時可以適當增大軸壓比。此外，許多高層建筑底層的柱子長細比小于4，但不能依據長細比小于4則判斷是短柱。因為短柱的確定因素是柱的剪跨比，只有柱的剪跨比小于等于2才是短柱。

2.4 結構荷載設計

為了保證建筑物有效的抵抗地震災害，設計人員在結構設計的過程中要遵循強弱協調的設計原則，對剪、節點、柱等的位置強度進行合理的提升，并對梁、彎、拉力中心等部位的強度進行削弱。為了避免節點過早的被破壞，設計人員需要使柱端的承載力大于梁端的承載力。與此同時，設計人員要根據具體的規范要求對各個構建的荷載進行合理范圍內的調整。

結語：

建筑結構的抗震設計對于建筑整體的應用性能具有較大的影響，所以在建筑結構設計時應在建筑場地選擇到建筑結構設計的整個過程中，使抗震設計符合相應的要求。建筑結構的防震設計是保證建筑物穩定的基礎，也是對人們生命及財產安全的有效保障。