淺談建筑抗震結構設計

周廷軍

摘 要：近些年來，我國的建筑總面積一直在快速增長，與此同時，建筑水平也得到了很大程度的提升，建筑的風格與功能不再像以前那么單一。但是，在地震發生時，還是不能確保建筑的安全性，尤其是在地震等級較大時，很有可能因為建筑的坍塌，導致很多人失去生命。在這種情況下，就必須考慮如何做好建筑的抗震結構設計，盡可能地減少因地震的發生而導致的人員傷亡和財產損失。本文主要針對建筑在地震發生時可能出現的幾個問題，以及在抗震設計方面現有的一些抗震方式進行分析和介紹。

關鍵詞：建筑；地震；抗震設計

中圖分類號：TU352 文獻標志碼：A

0 前言

眾所周知，地震是一種比較隨機的振動現象，具有復雜性、不確定性等諸多不便于人們操控的特征。截至目前為止，還沒有找到一種可以預測建筑物在地震發生時受到的影響參數。在結構分析方面，由于不能充分地考慮結構的空間特征、材料的性能、建筑所能承受的振動頻率等因素，所以在針對建筑的抗震性進行結構設計時，除了從“計算設計”的角度出發以外，還要考慮“概念設計”對于問題解決的幫助。概念設計是指從結構的整體性出發，用結構的設計理念，尋找關于建筑抗震性能的設計方法，其目標就在于使得建筑的整個結構在抗擊地震中發揮最大的作用，減少地震對于建筑中薄弱地區的沖擊力，在最大程度上保護建筑的完整性。

在對建筑的抗震設計規范有了一定的了解之后，才發現抗震的概念設計對于建筑的抗震性有著極大的影響。無論是舊的條文規定，還是新的抗震規范，都重點突出了建筑結構的概念設計在抗震方面的重要影響。所以，要想設計出來的建筑能有很好的抗震性能，首要考慮的就是抗震概念設計的一般原則。

1 建筑結構的概念設計原則

在建筑抗震結構的設計過程中，不能只憑借計算的結果而對整個建筑進行規劃，因為遇到結構不規整的建筑時，僅僅依靠現有的計算水平，設計出來的建筑不僅難以達到抗風的要求，在抗震方面更是作用微弱。所以，除了對計算方面有著嚴格的規定外，國家對于建筑結構設計的其他方面也有相關規定。下面就針對經常使用的一些原則與規定進行簡要的分析介紹。

1.1 結構簡單性

在我國的建筑結構抗震設計規范中有著明確規定，建筑結構在地震發生時，要具備直接、明確的傳力途徑，在設計過程中，計算簡圖要盡量做到簡單易懂。只有具備簡單的結構，才能在對整個建筑進行計算分析的時候，做到精確把握、準確計算，在建筑的薄弱部分進行加固處理，最終做到抵抗地震的沖擊。

1.2 結構規則性與均勻性

抗震設計規范上有規定，建筑在設計上要做到規則、對稱與良好的整體性，如果設計的不規則，建筑本身就容易發生偏心，在外力作用下更難保持平衡。建筑在設計時，還要考慮到結構的側向剛度應該均勻變化，豎向的材料剛度從上到下越來越大，這樣可以減小因承載力的增大而導致結構變形的可能性。在建筑平面比較規則的時候，就要采用規則的平面布置，這樣可以減少地震慣性力傳播的時間，并且質量分布均勻的建筑，可以減少偏心出現的可能，有助于防止薄弱部分的破壞甚至坍塌。

1.3 結構剛度與抗震

為了在地震發生時，抵抗雙向的沖擊作用，建筑不僅要有抵抗來自兩個主軸方向的剛度，在設計過程中必須還要考慮。建筑是否能夠經受住來自任意方向的壓力。在選擇結構的剛度時，既要減少地震對于結構的沖擊作用，還要控制結構的變形，因為在變形較大的情況下，建筑就有可能發生失穩破壞。除此之外，我們還要考慮地面運動產生的扭轉分量對于建筑的影響，提升建筑的抗扭轉能力，這種想法雖然已經被提出，但是目前的建筑水平還沒有達到可以考慮抗扭轉性能的要求。所以說，應該在抗震的概念設計中多一些抵抗扭轉的設計方案。

1.4 結構整體性

在任意建筑中，樓蓋都具有不可替代的作用，它就相當于一個水平隔板，可以傳遞慣性力到各個豎直的結構中，從而將各個結構連接成一個整體，在地震發生時，可以協調這些豎直結構共同承擔地震的沖擊作用。當樓蓋不存在或者出現較大的漏洞時，在設計中往往忽略了這些因素的影響，計算結果顯示建筑不會受到地震的影響，就忽略樓蓋對于整個建筑體系的作用效果。

2 建筑結構遇到的問題及解決方案

現如今，我國的建筑在設計過程中經常使用等效斜撐的辦法來增加建筑的抗震效果，隨著地震的發生與技術的逐漸應用，我們很容易發現，這種抗震方式雖然取得了一定的成績，但是由于它的精確度非常低，導致在計算過程中經常會出現很多難以預料的錯誤，在實際施工中很難做到準確把握。為此，相關的研究人員提出了在建筑結構設計中使用有限元軟件進行結構分析，但是實驗證明，有限元軟件分析的方式太過復雜，在模型建立的過程中不能把建筑的每個部分再現出來。所以，我們在建筑結構設計過程中，應該做到對于結構的整體抗震性能有一個很好的把握。

2.1 根據建筑結構進行抗震設計

目前，在建筑中使用鋼筋混凝土時，需要通過對鋼筋混凝土構件的截面尺寸和最小配筋率來提高抗震性能。而以磚混結構為主的建筑，就需要對建筑的整體高度及每層的高度進行限制，甚至有些建筑專門在橫縱墻里加入支撐柱，以此來增強抗震效果。

2.2 根據性能要求進行抗震設計

在建筑施工前，首先應該對當地可能發生的地震強度進行了解，然后再根據地震強度設計建筑的抗震性能。值得注意的是，建筑的內部構成對于整體的抗震效果也有非常大的影響，所以，設計時應該考慮每一個部位的抗震能力，這樣在抵抗地震時，就會減少薄弱部分的存在。

2.3 根據建筑場地進行抗震設計

最后一點，也是最重要的一點，就是建筑場地的選擇對于建筑抗震能力的影響。建筑結構穩固的情況下，才能有一個很好的抗震能力，如果建筑場地本身穩定性能差，而我們必須要在這塊土地上建設樓房時，可以在建設樓房時設置一個抗震層，這樣就可以在一定程度上達到抗震的目的。除此之外，還要考慮建筑物周圍的環境因素對于建筑的影響，設計的時候，要對建筑上部分的結構進行適應的調整，以滿足周圍環境對建筑的要求。

3 建筑結構設計的一般辦法

3.1 增添基礎性抗震措施

為了能夠增強建筑的抗震效果，研究人員在原有抗震辦法的基礎上，又探究出了很多科學、合理的抗震方法，比如地基隔震、基礎隔震、間層隔震、懸掛隔震等。地基隔震就是在建筑的地基與土層之間設置一個緩沖層，在地震發生時，緩沖層就可以吸收一部分震動力，減小震動對于建筑的沖擊。現如今，常用的地基隔震層是由瀝青材料做成的；基礎隔震是在建筑的上部結構和基礎位置的接觸點上建立一個隔震層，這在抗震設計上是非常重要的，可以減少地震對建筑上部結構的傷害，保護居民的人身安全；間層隔震一般安裝在原始的結構層上，具有操作簡便、抗震性能強等諸多優點，當大的地震發生時，可以吸收地震沖擊后剩余的力量，起到削減沖擊力的效果，最終達到保護建筑的目的；懸掛隔震，就是利用懸掛的方式，把建筑物與地面隔離開，在地震發生的時候，就可以把對地面的震動與對建筑的沖擊力分離開，不過這種方法不能運用到鋼筋混凝土的建筑中，只能在鋼結構的建筑中采用。

3.2 采用機敏減震支撐體系

機敏減震支撐體系是一種新型的防震技術，主要運用的是活塞的運動原理，對建筑的整體結構進行抗震設計。當地震發生時，作用在建筑上的力可以使彈簧壓縮，從而削減一部分沖擊力，降低地震對建筑的損耗。雖然，現有的技術水平還存在很大的有漏洞，不過相信在未來的幾年里，這項技術一定可以得到完善，并運用到更多的領域中。

3.3 應用效能減震技術

目前我國效能減耗技術在建筑上的應用主要依靠消能器和阻尼器，這兩種器械都可以實現對地震能量的消耗吸收，減小地震對于建筑的破壞程度，以此來保護建筑的結構安全和人們生命安全。

4 以高層混凝土建筑為例，分析抗震結構設計

自改革開放之后，大量的務農人民開始涌入城市，導致城鎮居民逐步增多，在這種情況下，我國的建筑開始形成以高樓大廈為主的建筑風格。而高層建筑就好像一個豎向的懸臂結構，用力學知識分析可知，在垂直荷載的作用下，結構可以產生與建筑的高度呈線性關系的軸向力，而水平荷載不產生力，只產生彎矩。如果來自垂直方向的荷載方向不發生變化，建筑高度的改變只引起軸向力大小的變化，在方向上不會有任何影響。而水平荷載不同，它的方向隨時都在發生著變化，這可以看做均布荷載時產生的彎矩與建筑的高度呈二次方的關系。由此可以知道，水平荷載對于高層建筑的影響，遠遠大于垂直荷載，在建筑的結構設計過程中，主要考慮建筑抵抗水平荷載產生的剪力、彎矩的效果。

4.1 高層建筑的結構體系

高層建筑在結構設計之初，就要把建筑的使用功能、施工材料、場地要求等因素放到一起，進行綜合的考慮與分析。一般常用的高層建筑結構體系有框架、剪力墻、框架與剪力墻結合這3種。

框架結構的優點是方便對室內的空間進行布局調整，缺陷是，它不適用于高層建筑，只有在樓層不是很高時，水平荷載對于建筑的影響力才比較小，框架結構的使用也較為合理。框架結構是以剪切變形為主的柔性結構，抗震效果不明顯，所以現在單獨使用框架結構的工程越來越少。剪力墻結構是一種以彎曲變形為主的剛性結構，布置的時候比較靈活，可以采用橫向、縱向或者多軸線相交等多種方式，剪力墻結構的抗性比較大，即使作用很大的水平力，也只發生微小的位移。不過與框架結構相反，在室內結構確定之后，就很難再進行重新布置。結合框架結構與剪力墻結構的優點是將兩者融為一體，就是在框架的薄弱部分添加剪力墻，這種結構在繼承了兩者的優點的同時也存在一些問題，因為框架與剪力墻的剛度有著很大的差異，在外力的作用下會產生大小不一的位移，所以在使用過程中，要注意兩者的變形協調。

4.2 高層建筑的結構布置

在高層建筑的內部結構構建時，應該注意以簡單、規則為主，整個結構必須要有足夠的承載能力與變形能力。雖然建筑中的每個部分相互依存，共同支撐著整個建筑結構，但是當其中的某個部位發生破壞時，不能影響到整個建筑的承載能力。這就需要工作人員在進行建筑結構的設計過程中，就對建筑中的薄弱部分進行加固處理，并且根據豎向和橫向結構承載能力的不同，進行合理的布局。

4.3 提高高層建筑結構的抗震性能

高層建筑在受力特征上與低層建筑有著很大的不同。在對高層建筑結構進行設計時，不僅要考慮強度與剛度是否滿足要求，還要考察建筑的抗震能力。這個考察過程非常復雜，簡單的人力計算根本無法完成這種高強度的工作，這時就需要使用正確的結構電算軟件，而且對工程師的要求也很高，他們必要對整個結構的概念、模型、計算步驟有著深入的了解。在遇到結構比較復雜的情況時，要建立兩個以上的力學模型，計算結構出來之后，還要進行比較處理，只有在各個方面都符合相關條例規定的時候，結構的計算過程才算結束。

通過合理的抗震設計，要保證建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒，這就要框架與剪力墻結構中的剪力墻高寬比不能小于2，這樣才能在地震發生時，使得建筑結構呈現彎剪破壞，并且塑性屈服是在建筑的底部。還有一點，為了保證建筑中鋼筋的承載力，需要按照強柱弱梁的設計原則進行設計，在選擇鋼筋、混凝土時，充分考慮建筑的需要。

結語

我國科技的發展水平，還遠遠不能達到預測將要發生地震的時間及地點的目的，再加上廣大人民群眾對于地震的知識把握不是很多，這就需要在進行建筑的結構設計時，充分考慮它的抗震性能是否能夠達到國家要求的標準。本文通過介紹與分析建筑的設計原則、經常遇到的一些問題及解決辦法，希望可以讓大家了解準確的抗震原則、結構的構造與受力情況，從而保證在地震發生時，能夠使建筑物整體結構和每一部分都充分發揮它們的作用，保障人們的生命與財產安全。

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