淺析土木工程結構中的抗震設計

雷哲智

（湖南 長沙 410000）

1 抗震設計的研究意義

我國有著廣袤的土地，但同時處于世界上兩個最大地震集中發生地帶之間，歷史上曾發生過多次重大破壞性地震。特別是在五一二大地震，造成了巨大損失。為了防止再次出現如此巨大的損失，我們必須加緊完善土木工程結構的抗震性能，注重建造過程中的抗震設計，以此最大程度的降低地震災害所帶來的影響，維護生命和財產安全。

2 抗震設計的影響因素

2.1 結構高度

高度是影響土木工程結構性抗震的一個重要的因素，一般而言高度越高其在地震中受到的破壞程度越大。建筑的高度和面對地震災害時所受到的損失往往成正比關系，地震中能夠得以幸存的幾乎都是底層樓建筑。因此，進行土木工程設計一定要結合各地點高度的不同因地制宜，采取有針對性的設計手段。以臺灣地區為例，臺灣島中高周低，最高點玉山海拔3952m，另外地處環太平洋火山地震帶，地震頻發。所以臺灣地區極其重視建筑的抗震性能。平均建筑高度在20～23m左右，即使是極高的地標建筑，也都采用了嚴格的抗震設計。在高度設計時要注重建筑的結構高寬比（房屋的總高度與平面最小寬度的比例），因為結構的高寬比對建筑物的結構剛度、側移和振動形式都有直接的影響，例如在鋼結構建造的民用房屋中其抗震設防的烈度和建筑物結構高寬比是需要嚴格計算設計的，烈度6～7度對應的最大結構高寬比為6．5，烈度8度對應的最大結構高寬比為6．0。因此，在進行抗震設計時，必須要著重關注工程的結構高度，計算出相關的荷載以此作為依據進行科學合理的規劃。

2.2 場地選擇

土木工程的建造選址也是土木工程設計中極其重要的一環。從宏觀角度看，不同的地理位置發生地震的

概率也不同，處在地震帶上的建筑，往往需要面對更高的地震風險。重慶市地勢起伏大，且位于地震帶，因此其地震頻發，其地震風險大，所以在建筑的建設過程中，普遍采用“削高山，墊平地”的做法。從微觀角度看，建筑建造在寬闊的平地上，將得以使土木工程設計獲得較大的操作空間，一個堅實牢固的地基將會使得建筑具有良好的穩定性，以免對地震帶來的外力沖擊。而當建筑緊鄰山坡等地時，需要面對山頂滑坡的風險，使得地震來臨時，給人員和財產安全帶來更大的損失。在土木工程設計中，需盡量考慮建筑的簡練性，多樣復雜的外觀將會影響建筑的荷載，面對各類災害時，將會帶來更多的不確定因素。

2.3 材料選擇

在土木工程的結構設計中，建筑材料的選擇也是一個不可忽視的因素。如果說面對地震損害時建筑的選址是第一道防線，那么建筑材料就是面對地震損害時最后一道防火墻。具有較高硬度的問題，能夠在抵抗更大的外力時不產生結構變形，但需要注意并不是所有高硬度的物體能夠作為建筑的支撐材料，例如玻璃盡管是一種硬度極大的物體，但卻存在著易碎的特性，無法成為一個建筑屋物的結構性支撐要素，僅僅能起到裝飾的目的。目前我國的土木工程中普遍使用鋼筋混凝土作為主要的結構性建筑材料，但其硬度和韌性卻很難達到抗震要求，因此在進行抗震設計時，應采用不易產生彎曲變形的鋼材料作為主要結構。

2.4 豎向設計的均勻性

豎向設計意為和水平面垂直的設計方法。受限于自然環境的因素，施工用地往往很難滿足設計師對土地的需要，因此我們需要進行豎向設計。而土木工程在進行抗震設計時，對建筑內部的豎向結構對稱性有著極高的要求。建筑橫隔層的尺寸和規模必須得符合標準要求，分隔層各部分必須均勻的受重。當建筑結構中的開設洞口規范無法統一時，工程結構將會缺乏剛度和延性，整個建筑主體也將會承擔更多的外來壓力，而豎向設計可使建筑抵消部分地震產生的沖擊波。換句話說，一個質量、體積等要素分配均勻的物體，其穩定性也就更高。而豎向設計設計的越均勻，建筑物的穩定性也就越高，因此抗震性能也就越好。

3 抗震設計應遵循的原則

3.1 統籌全局，創新設計

目前在世界范圍內，還未出現能準確預測地震出現時間的技術，因此面對地震災害時，僅能采取防范措施。因此，土木工程中的抗震設計就顯得尤為重要。在抗震設計中，得首先確保在地震發生的危急關頭，不會發生因建筑物整體結構損壞或變形從而造成嚴重的人力、財力損失。所以在設計建筑物的抗震性能時，我們需要綜合理論知識和歷史經驗，從過去地震的破壞性、烈度等多角度分析，進行創新設計，以工程主體的構建為主要依托，輔以建筑內部的特殊設計，借此增加建筑的抗震能力。

3.2 結構簡單，構造科學

對于土木工程結構來說，土木設計師們更加偏愛具有簡單明了的形狀的建筑物，因為他們可以更加容易的測算建筑物整體結構的受力情況，所以能夠設計的更加準確。換句話說，假若建筑物在進行結構設計時被賦予了更加復雜的結構，那么設計人員就會面臨更大的數據計算工作量，更嚴重的是，在地震來臨時，這種更為復雜的建筑物會受到更為嚴重的破壞。目前而言，使用鋼結構是抗震性最好、最強的結構。一方面源于鋼結構使用的鋼材其材質均勻，這種輕質高強的特點讓其在地震中受到的地震作用減小；另一方面，鋼結構具有良好的延伸性能從而讓結構的變形能力強，在地震中即使發生嚴重變形但不至于倒塌。汶川大地震中綿陽地區集中安置區域的九州體育館也使用的是鋼結構。

4 提高土木工程結構的抗震性能設計方案

4.1 樹立土木工程結構抗震設計理念

隨著科技的進步，建筑設計也從傳統的手工圖紙轉變為了以計算機合成的數字化圖紙。在使用計算機進行工程結構設計時，盡管設計過程被極大的簡化，許多細節或設想都由計算機輔助完成和實現，往往會因為計算機軟件所具有的過多輔助功能而忽略了概念設計理念，忽視了設計的規則性，弱化了抗震意識。隨著時代觀點的轉變，建筑的高度往往能夠獲得社會的焦點關注。而超高層的建筑結構，在建筑設計過程中各種計算變得十分繁瑣，建筑荷載的計算時的因素條件更為多變，也使得面對地震時建筑結構面臨更大的風險。所以要優化土木工程結構抗震設計就需采取具有科學合理性和實用性概念設計，以此完善一個整體框架，模擬出接近于真實的模型以供參考。

4.2 加強隔震以及效能減震設計

為防止地震發生時所產生的沖擊波對土木工程內部結構造成嚴重破壞，可在工程內部結構的連接點位置安裝特制的隔震材料。當地震來臨時，伴隨產生的沖擊波能量從工程建筑底部由下自上傳遞，此時建筑內部結構安裝的隔震材料，能夠使沖擊波的能量層層遞減，減少工程結構的損傷。但隔震裝置目前僅適用于低層建筑結構，對于地震中的高樓層建筑，隔震裝置效果并不明顯。目前建筑行業在建造橋梁時，普遍利用橡膠墊和隔震材料混合后所帶有的摩擦性和延性，以作為工程內部結構連接點的隔震裝置，以此起到支撐和恢復作用。

4.3 選擇合適的建造場地

在為土木工程進行防震設計時，工程的選址是極為值得考究的，也是整個仿真設計的第一步。工程的地理位置決定了工程所能采用的結構。地基的深淺和牢固，決定著整個工程抗震能力的下限，如果沒有良好的地基，不管工程內部結構設計的如何巧妙，使用的材料如何堅固，最終都是徒勞的。寬闊平坦的工程地址往往是最佳的選址，不但給予了多樣化的結構設計，并減少了人員的逃生時所受的二次傷害。

4.4 優化土木工程結構

要提高土木工程的抗震能力，冗雜的結構必須去除。在優化建筑結構時，需要考慮荷載能力、抗側力、施工場地等因素。在實際設計中，不能因為對建筑外觀的過多追求。在優化土木工程結構時，需要重點關注三個方面的問題。一是注重建筑物的整體穩定性。在進行設計時一定要加強建筑物的寬度參照系數的研究，對建筑物基礎的深埋深度進行關注。二要注重樓層平面的剛度。在設計方案的時候可以考慮將樓層設計為剛性的露面計算樓層平面具有的剛度，準確的分析出樓板的實際受力情況。三是注重結構設計軟件的運用。要充分運用計算機網絡帶來的便利，提高設計圖紙的準確性和精度。例如可以PKPM軟件在高層建筑物設計過程中來分析有限元，計算建筑物內部受力情況挑選最佳的設計方案。

4.5 培養相關人才

目前應集中資源對國內重點院校土木工程專業人才進行培養，結合國外經驗和國內實際情況，將先進建筑理論知識和實踐經驗傳授給專業人才，以此提高行業內精英人才數量，提升土木工程設計質量。此外，還可通過舉辦大型的建筑抗震設計大賽或講座，并進行大力推廣和宣傳，以此帶動整個專業領域的學生熱情，借此發現人才和普及知識。在院校培養學生的同時，也必須注重人才的全面發展，如若只注重單一的抗震設計技能培訓，或者是只關注橋梁建設而忽視房屋、隧道等設計培訓，在應對多變的工程狀況時難免會捉襟見肘，因此必須以掌握多層次專業技術為目標來培養人才。

4.6 使用防震材料

過去建筑業使用的防震材料多以黏土和砂子為主，也使得建筑結構變得更為笨重，對支撐結構也帶來更大的負擔壓力。隨著現代化抗震技術的提高，以輕便的瀝青取代砂子作為防震材料，不但提升了建筑基底的減震效果，還減輕了工程內部支撐結構的負荷。

5 結語

綜上所述，土木工程的抗震性能是我們在進行設計時必須關注的重點，設計和施工人員一定要按照抗震設計的基本原則因地因時制宜。本文通過分析研究了抗震設計的特點和所需遵循的原則，提出了一些提高土木工程結構抗震能力的方法，以求為設計施工人員提供參考，提高建筑物工程質量。