抗震概念設計在建筑結構設計中的應用

王劼毅

1 引言

地震是一種不可抗力的自然災害，地震發生時，嚴重威脅著城市經濟的發展和人們的生活水平。尤其是在建筑領域，如果建筑物本身無法承受地震的作用力，一旦發生損壞甚至坍塌，會造成極其嚴重的經濟和人員損失。此外，由于目前的科技水平還遠遠無法達到精準預測地震的地步，所以必須加強建筑物的抗震性能。通過在建筑結構設計時，引入抗震概念設計，能夠大幅度提升建筑自身的抗震性能，在地震發生時，能夠最大程度的保護周邊的人群和財產。因此，研究抗震概念設計在建筑結構設計中的應用具有重大的現實意義。

2 建筑抗震概念設計概述

一般情況，在進行建筑結構設計時，會從兩個方面進行設計：計算設計和概念設計。建筑結構的計算設計，是對建筑的結構模型、地質情況等一些的數據進行研究、分析和計算，通過不斷的對結構和部分構件調整，確保建筑物的整體受力情況能夠達到了建筑的設計要求。計算設計的優點在有科學依據，得到的建筑結構設計合理，符合建筑要求。但是缺點是需要由準確的數據和完善的信息。

由于地震的不可預知性，無法精準的對地震發生時產生的數據和信息進行收集和計算，如果采用計算設計來進行建筑結構設計，往往不準確而且也不現實。這是，就需要引入概念設計，對建筑進行抗震設計。這種設計方法的優點是相對比較經濟，無需高昂的設計成本，相對工作量較少，而缺點是對設計人員的要求較高，不僅本身的工作經驗要十分豐富，而且要對當地的地震情況和相關數據參數有詳細的了解。

3 建筑抗震概念設計遵循的基本原則

在進行建筑抗震結構設計的過程中，應當始終堅持以下原則：

3.1 整體合理性原則

建筑本身是一個整體，在進行建筑結構抗震概念設計時，必須確保建筑整體結構的合理性。局部的抗震性能好不代表建筑物在收到地震作用時，不會發生損傷或者破壞。相關設計人員必須從整體角度出發，遵循建筑的基本規定和要求，確保建筑物整體結構的穩定和抗震，合理的引入抗震設計，提升建筑物的整體抗震性能。

3.2 結構合理性原則

結構合理是建筑物設計的核心原則。如果單純的為了建筑物的抗震性能，而忽略了結構的合理設計，建筑物本身的穩定性就已經大打折扣，在地震災難發生時，不僅不能抗震，而且收到損傷甚至坍塌的可能性會更高。因此，在進行建筑設計時，應重點考慮平衡和穩定，降低建筑物側拉力，確保建筑整體結構的合理和穩定。

3.3 豎向均勻原則

地震發生時，建筑物在水平方向所受到的作用力會突然加大，會導致建筑產生一定的變形。如果建筑的豎向設計出現問題，作用力不均衡，會導致建筑很容易因變形而產生扭曲，增大了建筑物損傷的可能性。因此，在進行建筑結構抗震概念設計時，因局部突變或者扭轉效應，所產生薄弱部位應當避免，確保建筑的豎向和水平結構布置，都具有較高的剛度和承載力分布。在進行結構的平面布置時，要求簡單、規則和對稱，且質量中心與剛度中心之間的差異應控制在最??；在進行豎向結構的布置時，除了規則和均勻之外，還應避免過度的結構向外或者向內，在側向剛度方面，為了避免出現突變的情況，保持建筑物的從下而上，逐漸均勻的變小。

4 抗震概念設計在建筑結構設計的應用

前文提到，抗震概念設計是由于地震作用的不確定性（隨機性、復雜性、間接性和耦連性）和結構計算假定與實際情況的差異。這使得其計算結果不能全面真實地反映結構的受力、變形情況，并確保結構安全可靠。因此，在實際建筑結構設計時，抗震概念設計的應用包括正確的場地選擇，合理的結構選型和布置、正確的構造措施等。

4.1 建筑工程地點的最優選擇

選擇建筑場地時，宜選擇對建筑抗震有利的地段，避開對建筑抗震設計不利的地段。抗震危險地段指地震時可能發生崩塌（如溶洞、陡峭的山區）、地陷（如地下煤礦的大面積采空區）、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度為Ⅷ度以上的發震斷裂帶在地震時可能發生錯位的斷層。

此外，在進行抗震概念設計時，對施工場地的土地也有要求。一般情況下，密實度高，硬度強且較為均勻的土地結構，可以大大提升建筑物的抗震性能。對于軟弱土、易液化土、斷層破碎帶以及成巖、巖性、狀態明顯不均勻的土地場所，應當盡量避免，一旦發生地震時，即便是建筑物本身的抗震性能良好，也會因為土地問題導致損傷甚至坍塌的危險安全事故發生。

例如：天津塘沽港地區，由于地表土地為沖填土，在地表下存在大量的淤泥和淤泥質土，且地下水水位較高，1974年在此地建設的住宅樓，到1976年唐山大地震發生時，已經發生了接近200mm的沉降。地震發生后，沉降量受地震影響突然增大，沉降達到350mm。雖然該地區的房屋建筑不在地震災害區域，但仍然發生了房屋傾斜，四周地面隆起的安全事故，如圖1所示。

圖1 軟土地基上房屋的震害

4.2 抗震構架體的選取

剛度大、強度好的的建筑物構架方案，可以大大降低建筑物在受到地震作用時發生變形的幾率，由此達到提升建筑抗震性能的目的。一般情況下，應參考以下應用原則：

（1）平面結構宜簡單。結構的簡單性可以保證地震力具有明確而直接的傳遞途徑，使計算分析模型更易接近實際的受力狀態，所分析的結果具有更好的可靠性，據此設計的結構的抗震性能更有安全可靠保證。地震區的建筑平面以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形次之；三角形、帶有較長翼緣的L形、T形、十字形、Y形、U形和H形等平面結構對抗震結構性能不利，盡量在設計時避免出現。

（2）立面變化要均勻。即建筑的質量和剛度變化要均勻。結構布置不均勻產生剛度和強度的突變，引起豎向抗側力構件的應力集中或變形集中，將降低結構抵抗地震的能力，地震時易發生損壞，甚至倒塌。根據均勻性原則，建筑的立面也應采用矩形、梯形和三角形等非突變的幾何形狀。

例如：某建筑為六層鋼筋混凝土房屋，其剖面如圖2所示。該建筑三層以上為框架-剪力墻體系，底層和二層為框架體系，而二層有較多的磚隔墻。該結構上、下層的側向層間剛度相差約為10倍。地震后，上面幾層震害很輕，而底層嚴重偏斜，縱向側移達600mm，橫向側移約600mm，角柱出現嚴重的受壓酥碎現象。

圖2 某建筑破面圖

4.3 抗震參數計算和統計工作

在進行建筑結構抗震概念設計時，參考相關的數據可以大大提升方案的合理性和準確性。因此，在進行建筑方案設計時，應針對建筑的受力情況，進行相關明確的數值計算，并以此為基礎建立建筑結構模型，通過多次的模擬試驗，驗證所設計的建筑結構是否符合抗震要求。例如關鍵性的指標數據有：結構的位移比、層間位移角、結構的周期比、結構的剪重比和剛重比以及軸壓比等數值。

4.4 設置多道抗震防線

單一結構體系只有一道防線，一旦破壞就會造成建筑物倒塌。特別是當建筑物的自振周期與地震動卓越周期相近時，建筑物由此而發生的共振，更加速其倒塌進程。如果建筑物采用的是多重抗側力體系，第一道防線的抗側力構件在強烈地震作用下遭到破壞后，后備的第二道乃至第三道防線的抗側力構件立即接替，抵擋住后續的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期與地震動卓越周期相同或接近的情況時，多道防線就更顯示出其優越性。當第一道抗側力防線因共振而破壞，第二道防線接替工作，建筑物自振周期將出現較大幅度的變動，與地震動卓越周期錯開，使建筑物的共振現象得以緩解，避免再度嚴重破壞。

例如；某建筑位于地震區，地面以上18層，高61m。該大樓采用鋼筋混凝土芯筒作為主要的抗震和抗風構件。但是，該芯筒又有四個小芯筒組成，在每層樓板處，采用較大截面的鋼筋混凝土連系梁，將四個小筒連成一個具有較強整體性的大筒，如圖3所示。

圖3 某建筑設置多道抗震防線示意圖

這樣的抗震設計，既考慮四個小筒作為大筒的組成部分發揮整體作用時的受力情況，又考慮連系梁損壞后四個小筒各自作為獨立構件的受力狀態，且小筒間的連系梁完全破壞時整體結構仍具有良好的抗震性能。

5 結語

綜上所述，隨著人們生活水平的不斷提高，對建筑物的抗震要求也在不斷增大。作為建筑結構設計的重點，抗震概念設計是不可缺少的。因此，通過不斷的學習先進的技術手段，引入科學的理論，提升建筑物結構設計的協調性和整體性，不斷增強建筑的抗震性能。

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