探究建筑結構體系中的抗震設計

李雄鷹

(福建省九龍建筑設計有限公司，福建 廈門 361006)

0 前 言

我國是一個地震頻繁的國家。在近代，罕遇地震給國家和廣大人民群眾造成了巨大的傷害。因此，在工程建設中從決策到技術層面“抗震安全”越來越受到關注。雖然目前的建造工藝突飛猛進，但對地震的研究水平還遠遠不夠，還不能預測地震。雖然目前我國的地震烈度區劃圖在我國已經做得非常精準并且非常的科學，但它是基于有限的歷史數據。在我國，大型地震或特大型地震有時也會出現在低烈度地區。同時，地震發生時，地震動的三要素存在較大不確定性，即使在同一地區，不同類型的地面運動在地震過程中對建筑物的破壞也不盡相同；地震還存在震級、傳播路徑、震中距離和震源機制等許多非確定因素，給地震研究帶來了很多困難。

1 抗震設計的意義

地震活動是一種很難準確預測的自然災難，以現在的技術手段不可能準確地對地震活動做出預測。但是依據現實條件，提前采取防護手段也是一種非常好的預防手段。對于非選擇性、危險性大的地震活動，如何用科學的理念和技術來預防地震的損害、來減少地震造成的各種損失。現在，世界上絕大部分的國家都有各自的建筑抗震設計規范。小型地震不會對建筑結構造成損害，中型地震可以做到對建筑物進行加固建筑物仍然可以使用，在大型地震建筑物不會倒塌保證人員的安全。這一抗震設計原則得到了廣泛的認可和推廣，極大地提高了建筑結構的抗震性能。受到地震災害影響過程中，如果建筑物的使用功能和所采用的結構布置不協調，那么結構體系的抗震性能難以得到有效利用。當出現破壞時，新建的建筑費用要比維修舊建筑的費用高。從經濟成本來講，是非常不合算的，所造成的經濟損失是無法估計的，這是建筑結構抗震設計的首要任務。

2 抗震設計原則

抗震設計主要基于“抗震設防烈度”。然而，劃分的烈度區別是宏觀的，這一劃分主要根據對地面的破壞和對無抗震設計房屋的破壞。現代地震記錄顯示，對于烈度相當的地震，它們的地震加速度峰值和頻譜分布并不一致，其中最小值差不多是最大值的50%。雖然地震加速度的峰值十分相似，但距震中的距離相差較大，則震源機制不同，地震波傳播路徑也會不盡相同，導致地震加速度的頻譜特征具有明顯差異。抗震設計中的反應譜曲線只是統計意義上的平均值。在這種情況下，對建筑結構體系的抗震設計來說，“概念設計” 比“計算設計”更為重要。抗震概念設計就是以力學概念為依據，從有利于提高建筑結構體系抗震性能的角度，用符合力學規律的方法，對設計項目進行總體結構體系布置。20世紀90年代起，就將抗震概念設計的理念應用于實際工程中并取得很好的效果。

在分析發生地震概率的基礎上，考慮到目前國家的經濟實力和科技力量，抗震設計提出了三個設防的要求:當烈度值低于該地區的設防烈度，對建筑物的目標是正常使用，結構處于彈性狀態，應采用彈性反應譜來進行設計；當地震水準處于該地區的基本設防烈度時，其目的是將結構的非彈性變形或損傷控制在可加固修復的范圍；當地震水準高于該地區的基本設防烈度時，要求是建筑物在地震過程中不會倒塌性破壞，以免對人員造成傷害。

抗震建筑的重要性，從防災減災的角度來講，建筑物一般會分為特別重要、重要、一般和次要四類，體現了抗震設計中差異化處理的原則，控制經濟成本。震時指揮中心(政府機構)、學校和大型醫院顯然比普通建筑更加重要，而儲存普通物品的庫房則不如人員分布密集的公共建筑重要。這種分類與統一標準的安全等級并不完全一致：因為這種分類不對構件進行劃分；另一種是不采用重要系數進行區分，而主要采用提高設防烈度一度來進行考慮，因為計算中重要系數的差異對于抗震設計可能太小。有利的、不利的和危險的場地條件，如果選擇在I類場地條件下，丙類建筑物的構造措施可以降低一度進行設計；如果沒有避開危險地段，同時有效的抗震措施又太少，這將不可避免地導致大的災難。因此，在工程地質勘察中，應探明危險區和不利區的復雜地質條件，從而采取經濟有效的抗震措施。

3 抗震設計在建筑結構體系中的具體應用

3.1 鋼筋混凝土結構抗震設計

剪力墻結構采用鋼筋混凝土墻作為主要承重構件，能承受各種荷載引起的結構內力，有效地承受結構的水平力，不產生較大的水平位移。剪力墻結構廣泛應用于高層建筑中，這種結構體系的抗震性能相對較好。框架剪力墻結構是震區高層建筑的常用承載體系，因為主要由剪力墻承受水平荷載，所以抗震性能比純框架結構要好。在框架結構中設置足夠數量的剪力墻，具有較大的水平荷載承受能力和可觀的抗側移剛度。同時形成比較大的空間，滿足建筑不同功能的要求。框架結構是指梁與柱通過剛性或鉸接連接形成的建筑結構體系，即梁與柱形成框架，共同承受使用中的水平載荷和垂直載荷。框架結構的墻體不承重，只有隔離的功能，一般材料有加氣混凝土砌塊、空心或多孔磚、膨脹珍珠巖、蛭石、陶瓷墻板等。在地震破壞實例中，大部分框架結構只有輕微受損，但仍有一些框架結構建筑物嚴重受損甚至倒塌。對地震破壞的調查表明，大多數房屋倒塌性破壞的主要原因是柱端出現塑性鉸接、柱端剪切破壞和節點區域破壞。筒體結構是由框架剪力墻結構和純剪力墻結構發展而來的。一般分為筒中筒、成束筒、筒體-框架結構。筒體結構是在建筑物內部或周邊，集中布置剪力墻或密集框架柱，形成一個或多個空間相對封閉的筒體。它的特征是剪力墻集中分布，使建筑物擁有相對較大的空間，主要用于辦公建筑。在水平荷載作用下，水平力主要由一個或多個筒體承擔。筒體結構擁有很大的抗側移剛度，有承受較大水平荷載的能力。

3.2 鋼結構抗震設計

鋼結構建筑的優點是重量輕，承載能力高，結構構件標準化程度高，鋼結構建筑的主要承重構件由鋼板和型鋼構成，材質均勻，各向同性好，結構可靠性高。鋼結構的材料屬理想彈性體，符合工程力學的基本假定，可在抗震設計中充分發揮鋼結構的材料塑性、彈性好的特點，允許有適度的變形，能很好地承受動力荷載，在罕遇地震作用下保持結構體系的穩定，避免倒塌。高精度的加工制作工藝可以做到等強連接，實現強連接弱桿件的抗震設計原則，大大提高建筑物的抗震和承載能力。鋼結構在我國得到越來越廣泛的應用，特別是在大型公共建筑和基礎設施中。其中最重要的是機場車站、體育場館、高層建筑等。鋼殼體結構近年也得到應用，具有很好的空間傳力性能，能以較小的構件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結構，能覆蓋或圍護大尺度的空間而不需要中間支撐，兼顧到承重結構和圍護結構的雙重作用，同時也有較好的抗震性能。

3.3 組合結構抗震設計

這里所提到的組合結構主要指的是由型鋼、鋼筋混凝土組合澆筑成整體的結構，也稱為鋼骨混凝土結構或勁性鋼筋混凝土結構，以組合構件作為主要承載結構體系。其中主要構件為由型鋼(或焊接鋼構件)-鋼筋混凝土構成的梁、柱、墻等組合構件。型鋼-鋼筋混凝土組合結構綜合了鋼結構和鋼筋混凝土結構的優點，并且各自克服了鋼材和混凝土在抗震體系中的缺點：混凝土結構自重大、鋼材在受到水平荷載時容易發生屈曲。型鋼-鋼筋混凝土組合結構具有高的承載能力以及有效地減輕結構的質量。當前在各種高聳的建筑物中，鋼混組合結構都得到了廣泛的應用，其中鋼管混凝土結構目前應用的最為廣泛，鋼管對混凝土的約束，使混凝土處于三向受壓的狀態，提高了混凝土的抗壓強度，因此，這種組合結構擁有非常高的強度，來抵抗地震作用。型鋼-鋼筋混凝土結構具有良好的抗震性能以及延性，能滿足在不同條件下的抗震設計。

4 結束語

地震災害的發生是不可預期的，地震等級和發生的時間都不可能進行預測，但是以現在的技術完全可以在地震發生時對非震中區域做出相應的預警，從發出預警到地震波傳播至設防地區前的這一過程中，建筑物的抗震性能就顯得格外的重要，它可以為廣大的人民群眾提供寶貴的逃生時間，因此，在民用建筑設計的過程中必須充分了解到抗震設計的意義所在，確保設計的結構能夠保證建筑結構整體的穩定性。為達到這一要求，必須對抗震設計進行深入的了解，并在設計過程中充分利用各種抗震措施，使建筑物滿足抗震設計的要求。

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