建筑結構抗震概念設計探討

魏麗芬

【摘 要】地震是一種不可預見的、危害極大的自然災害，它能造成慘重人員傷亡和巨大的財產損失，而最主要的損失是由于建筑物的損壞引起，抗震就是針對這種災害進行必要的防震措施，以降低災害損失率，減少人員傷亡及財產損失，但是由于地震的不可預見性及建筑物的系統復雜性，因此抗震也是房屋建筑乃至一切土木工程最為困難的課題。針對地震災害及衍生災難性影響，進行建筑抗震設計的宏觀控制措施，稱為建筑結構的抗震概念設計。本文根據地震對建筑物破壞程度的理論分析，通過對抗震設計原則的闡述，論述了建筑結構設計中抗震概念設計的內容。

【關鍵詞】建筑結構；抗震；概念設計

一、地震對建筑的破壞作用

地震是一種地殼中的板塊發生了頂撞、錯動和斷裂而產生震動的自然現象。我們不能夠準確的預報在何時或是何地會發生多大級別的地震，更加不能阻止地震的到來，但是我們能夠粗略地把地震破壞的作用分成三類：①地層被錯位，地面有了開裂；②地基的液化，出現地陷或是滑坡；③地面發生振動。因為地震作用具有隨機性與復雜性，建筑物被地震破壞的機理十分復雜，存在許多不確定的以及模糊的因素。

但根據地震的破壞作用和民用建筑的常用結構形式可以把建筑結構在地震作用下的破壞分為四種情況：①在地震的時侯，水平與豎向的振動作用之下，建筑物內力與變形驟增，甚至內部結構受力的形式發生改變，導致建筑物的承載力不夠甚至會喪失或是變形過大。②在地震的作用下，因為節點的強度不足、錨固失效、延性不夠，這會使結構的構件缺乏安全可靠的連接，使建筑物喪失了整體性而被破壞。③在地震作用下，因為地基的承載力的下降或是地基土的液化，使地基的一部分已經失效甚至是完全失效，最終會導致建筑物整體傾斜或倒塌。④因為地震而引發次生災害例如火山、滑坡、洪水、泥石流等會造成建筑物被嚴重破壞。

二、結構概念設計的原則

（一）優化選型原則

結構概念設計歸根到底是確定主體結構體系及其聯系。它要考慮兩個方面，用比較方法進行優化選擇：（1）優化結構體系。前提是掌握各類基本構件的特征（如與受力相關的幾何特征，與變形相關的剛性特征等），根據環境、使用、建筑和荷載實況優化選擇合用的基本構件，確定它們間的聯系，形成基本結構單元和它的支承做法（如框架結構，筒體結構等）；再將基本結構單元通過線型、平面、疊合、交叉等集合形式構成主要結構體系。（2）優化結構布置。在滿足使用要求和建筑意向前提下優化布置樓屋蓋水平系統、柱墻豎向支承系統和基礎系統。這時除比較各種布置的承載能力、豎向和側向變形，支承做法、地質條件等結構問題的合理性、優越性外，重要的原則是平立面宜規則、對稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規整外，側向剛度宜均勻變化，自下而上逐漸減小，避免突變。

（二）空間作用原則

建筑物本來是一個空間結構。在結構概念設計時，考慮建筑物內各部分結構的空間作用，實際上是還原到它本來的結構面貌。當然，如果這時更能有意識地利用構成構件間的空間關系，往往還會給所設計的建筑結構帶來更大剛度、減小內力、受力效能好等方面的優點。

（三）合理受力原則

結構概念設計時，要經常運用力學原理來處理結構構件的一般受力分析問題。以下幾個方面往往應給予注意：（1）從受力和變形看，均勻受力比集中受力好，多跨連續比單跨簡支好，空間作用比平面作用好，剛性連接比鉸接好，超靜定的受力體系比靜定的受力體系好，另外，傳力簡捷比傳力曲折好，要避免不明確的受力狀態。（2）從受力和變形的分析看，要盡可能利用結構的對稱性、剛度的相對性、變形的連續性和協調性；既要分析各部分構件的直接受力狀態，也要分析整體結構的宏觀受力狀態；要抓住主要的受力狀況和它所發生的變形，忽略次要的受力狀況和它的相應變形。

（四）減輕自重原則

結構所承受的荷載有兩種，豎向荷載和水平荷載。豎向荷載的85%以上是建筑物自重，水平荷載中的地震作用與建筑物自重直接相關。減輕自重不僅可以減輕結構承受的荷載，而且可以降低建筑造價、加快建造速度、節約建筑材料、減少材料在生產運輸方面的工作量。減輕自重可采取如下措施：a、采用輕質高強材料，如輕集料混凝土、高性能混凝土、高強度鋼材、多孔或空心砌塊等。b、采取高效能的結構型式，如采用予應力構件，根據結構受力特點采用組合構件或組合結構，采用薄殼、箱形結構等優越的結構型式。c、選擇優越的結構體系，如采用筒體結構、網架結構、空間桁架等空間結構體系。d、選擇合理的結構，如盡可能減少外墻面積、加大開間尺寸和柱網距離、降低不必要的樓層高度等。

三、建筑結構抗震設計要點

如何采取較低成本來有效地提高建筑物的抗震性能是重要課題。但抗震設計理念需要建筑物本身就具有一定的結構特性，這就需要在建筑物抗震設計前期就要考慮從概念設計的角度出發來對建筑物進行合理的設計，如確定出合理的建筑體系以及結構布置等等。隨著概念設計的應用推廣，越來越多的設計者接受了這一設計方式，并逐漸成為結構設計的主導思想。

（一）我國對于建筑物的抗震設計，要求采取抗震設防標準是“三水準設防、兩階段設計”

在這種抗震設計思想下，建筑結構設計經歷了剛性設計、柔性設計、延性設計和結構控制設計四階段。但是由于地震的隨機性、復雜性、間接性和偶然性，在結構自振周期、材料性能、阻尼變化和基礎差異沉降等因素的影響下，結構表現出極大的復雜性、計算假定與實際情況的不符的特點，甚至一些在定性分析上反應出來的結論完全相反，使計算結果差距很大。因此，要提高建筑結構抗震性能，建筑物設計時首先要考慮到良好的概念設計。

（二）確保建筑結構體系的共同工作

對建筑采取抗震設計時應充分利用建筑結構體系的協同工作，從而設計建筑物中的各個構件都處于相互協作以及共同工作的狀態。也就是需要建筑結構構件在承載力極限的條件下不僅可以保持共同工作，同時也需要它們具有共同的耐久性。此外建筑結構的上部及其基礎，當受到載荷時應保持著一個統一整體，共同承擔載荷。在砌體結構的建筑中避免建筑結構單純的依靠建筑結構自身剛度來承受載荷。

（三）充分提高建筑物材料利用率的協同工作

從建筑物抗震設計經驗表明，材料的利用率越高，結構的協同工作能力也就越高。例如，因為梁的長度變化會引發梁彎矩的變化，同時梁的中和軸附近的材料利用率低致使實際使用中矩形截面受壓構件利用率極低。分析此種情況，通過采取建筑概念設計理念來進行結構分析，調整梁截面的應變梯度，使構件保持軸心受力，以有效地提升材料的利用率，以達到提高結構抗震性能。

四、結語

總之，在建筑結構的防震設計中，設計人員必須根據建筑的實際情況，結合地質環境，在經濟與安全的綜合考量下，設計出科學合理的防震方案，保證建筑物在相應的防震標準下進行施工，保證建筑的安全。

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