抗震概念設計在建筑結構設計中的應用

楊偉松

湖南省建筑設計院有限公司，湖南長沙 410000

抗震是建筑結構設計重要內容，對保證建筑穩定性、安全性等均有重要作用，目前已得到相關人員的高度重視，抗震概念設計作為一種新理念和方法也得到廣泛應用，發揮著十分重要的作用。

1 建筑抗震概念設計

概念設計是以人類學習與實踐有關的概念為依據，采用人類的判斷力與思維，準確且全面的分析結構各項性能。即將結構品性分析結果作為根據，確定結構的整體和局部，以確保結構具有最佳品性，包括耗能、承載與變形等方面的能力。

注重抗震概念設計的原因為地震作用存在不確定性，同時結構計算假定和現實存在明顯差異，導致計算結果無法反映結構發生的變形與受力，并在此基礎上保證結構的可靠性與安全性。

對于結構抗震設計，它主要存在如下不確定因素：

（1） 地面運動方面。當地震發生時，地面發生的運動為多維形式，其各分量都會使建筑遭到損壞。在以往地震當中，強震儀曾多次記錄到各方向分量[1]。

（2） 結構分析方面。可對結構動力特性及動力反應造成影響的因素包括：質量分布存在的不確定性；上部結構和基礎之間的協同作用；各節點發生的非剛性轉動；柱發生軸向變形等。其中，各節點發生的非剛性轉動，可造成5%～10%的影響；柱發生軸向變形后，結構體系自振周期將增加15%左右，相應的加速度反應則降低約8%。

（3） 材料方面。對混凝土材料而言，其彈性模量隨應變與時間的變化而改變。伴隨時間不斷增長，彈性模量相比于剛完工時可能減小達50%，而且如果應變增大，則還有可能持續減小，最終使自振周期被延長，加速度反應大幅減小。

（4） 阻尼方面。對于鋼筋混凝土，其阻尼比通常為5%，而受到地震作用松動后，阻尼比可以達到20%～30%，這兩種情況下的自振周期之差可以達到50%[2]。

（5） 基礎差異沉降。按照常規荷載進行設計而成的框架結構，在地震系數取1.0時，僅1cm的建筑基礎沉降差異即可造成近70%的彎矩偏差，并且這在設計過程中很少進行考慮。

（6） 地基承載力。在綜合考慮地震作用瞬時加載與偶然性的基礎上對地基受地震作用的影響進行分析，在取得地耐力時，通常要增加33%～50%，此值為人工估計，易帶來較大設計偏差。

可見，當前抗震設計并未達到預期水平。想要使建筑有良好抗震性能，應先從大角度入手，理解并深入開展概念設計。若整體設計不到位，無論計算工作如何細致，都不能起到理想作用，導致建筑倒塌。

2 建筑抗震概念設計具體應用

2.1 選擇有利地段

在選擇場地的過程中，應盡量選擇對抗震有利的場區。對抗震不利的地段是指地震發生后造成崩塌、陷裂、滑坡、泥石流等災害的地段，還包括震中烈度超過八度的斷裂帶。從地形角度講，抗震不利地段主要是指以下地形：凸出山嘴、孤立山包、山梁頂端、土質陡坡等；而從土質角度講，抗震不利地段主要有以下幾種：軟弱土、液化土和斷層破碎帶等[3]。

2.2 減少能量輸入

2.2.1 減薄場地覆蓋層

規范對場地覆蓋層給出以下定義：地面和堅硬層頂端之間的距離為覆蓋層厚度；其中，堅硬層是指剪切波速在500m/s以上的硬土層，孤石堆及硬夾層都不作為場地基巖考慮。世界范圍內的地震資料表明，對柔性建筑而言，土層較厚時，震害較重；而土層較薄時，震害較輕，若能直接在基巖上進行建設，則能有效減輕震害。

2.2.2 選擇堅實場地土

場地土即分布于場地的地基土，從平面上看和自然村有大致相同的大小，深度為地面以下15m左右。從震害中可以看出，當場地土剛度較大時，震害指數一般很小；而當場地土剛度較小時，震害指數通常很大。除此之外，對高層建筑而言，因其周期較長，所以當處在軟土層時，實際輸入的能量將遠大于硬土。基于此，從減少能量輸入角度講，在條件允許的情況下，宜采用堅硬場地土，即剪切波速大的場地土。

2.2.3 嚴防共振

若建筑自振周期和地震卓越周期達到相近，則建筑由地震造成的破壞將進一步加重，即共振。比如，羅馬尼亞弗蘭恰地震的卓越周期為東西向1.0s、南北向1.4s；布加勒斯市中自振周期在0.8-1.2s范圍內的高層建筑遭到嚴重破壞，甚至部分建筑直接倒塌，但自振周期在2.0s左右的建筑卻沒有太大震害。基于此，設計過程中，應先對場地范圍內的卓越周期進行估計，再通過對建筑類型及層數的調整或改變，盡可能使自振周期遠離卓越周期。通過研究發現，依靠場地周期能對卓越周期進行估量。而場地卓越周期則可根據剪切波速等參數確定，參考范圍為0.2～4.0s[4]。

2.2.4 采用合理有效的隔震措施

通過對隔震技術的合理應用能使結構各項動力特性發生變化，實現對地震能量實際輸入的有效削弱，減弱地震反應，從而實現防震目標。在實際的設計工作中，可采用以下隔震方法：橡膠墊、滑移式隔震、懸吊式隔震等。

2.3 選擇有利的抗震體型

2.3.1 平面簡單

結構越簡單越能使地震力得到快速且明確的傳遞，確保計算模型與真實受力相接近，得到的結果真實可靠，從而提高設計成果的質量。在地震區，平面宜采用圓形、矩形或方形；扇形、多邊形與橢圓形等次之。雖然三角形也是簡單形狀，但因其主軸方向上無法實現對稱，受到地震作用以后產生扭轉振動，不利于建筑抗震。除此之外，有翼緣的H形、L形與Y形，也會對抗震造成不利影響。

2.3.2 立面均勻

建筑立面上，無論是剛度變化還是質量，都必須達到均勻。如果布置不勻，則將造成剛度或強度突變，導致抗側力構件產生應力集中，削弱抗震性能，在發生地震以后容易損壞，嚴重時直接倒塌。比如，因建筑沿豎向進行收進，當地震發生時，收進位置上下部分有著不同的振動特性，產生一定程度的應力突變，導致凹角出現應力集中的現象。

按均勻性基本原則，立面應采用非突變形狀。對于突變性立面，最好不用，這是因為立面一旦突變，則在突變處會產生一定彈塑性變形與地震反應，致使破壞加重，需要在突變位置進行有效加固。

2.3.3 建筑高度

通常情況下，建筑越高，受到的地震作用越大，震害越嚴重，每一種結構體系都有其適合的高度。各結構體系建筑極限高度的確定需對以下因素進行綜合考慮：結構自身抗震性能、經濟性、合理性、地基實際條件和以往震害經驗。以鋼筋混凝土結構建筑為例，其不同情況下的建筑高度極限取值如表1所示[5]。

表1 鋼筋混凝土結構建筑在不同情況下的高度極限取值 （m）

3 結語

綜上所述，抗震概念設計是建筑結構與抗震設計發展的必然趨勢，它對建筑結構抗震有重要作用和意義，應在正確認識抗震概念設計含義的基礎上，加以科學利用，以提高建筑結構抗震設計水平，提高結構抗震性能。

[1] 王鴻飛.淺析抗震概念設計在建筑結構設計中的應用[J].建材與裝飾，2016，44：72-73.

[2] 張珍榮. 抗震概念設計在建筑結構設計中的應用[J]. 江西建材，2017，14：22.

[3] 張可可.抗震概念設計在建筑結構設計中的應用初探[J].城市建設理論研究 （電子版） ，2017，18：87.

[4] 湯蘭.試論概念設計在建筑結構設計中的應用分析[J].科技創新與應用，2014，29：229.

[5] 鄭軍輝.概念設計與結構措施在建筑結構設計中的應用[J].城市建筑，2012，15：13.