基于性能的建筑結構抗震設計

杜若紅

(蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州730050)

隨著建筑行業的快速發展以及人們生活水平的提高，對建筑物的質量和抗震能力提出了更高的標準，建筑的設計單位開始逐漸重視抗震效果和抗震水平的進一步提高，保證建筑物的抗震效果能夠達到小震不壞、中震可修、大震不倒的要求。建筑單位開始關注基于性能的建筑結構的抗震設計，針對在設計過程中存在的危險因素進行及時排查，來保證建筑物的安全性和抗震性。

1 抗震技術在建筑結構的應用

1.1 主動控制技術

主動控制技術是指通過建筑物使用外部的能源來進行增強建筑物本身的抗震效果。添加外力之后與地震所產生的作用力進行有效對抗，形成一個反向的動力，減少地震所帶來的強大推動力來實現建筑物的防震效果。主動控制技術的工作原理是指建筑物在外部設立多個傳感器，通過對地震的反應和激勵作用來進行觸發響應后，在科學技術和計算機技術相結合的情況下，將信息進行及時傳遞，計算出地震作用力的具體數值，再借助建筑外部的驅動系統來有效對抗地震作用力。現階段我國所采用的主動控制技術主要有防風板、動力脈沖設備、阻力設備等。

1.2 被動控制技術

被動控制技術是指將建筑物內部的系統支撐點進行擴張，形成一個小部分的結構動能增加。現階段我國使用被動形式的控制技術主要運用在一些建筑物的減震、防震功能設計當中。減震防震技術主要是將建筑物本身作為依托來實現有效的內部抵抗地震作用力的控制結構，將地震產生的作用力通過科學技術和相應的設備進行有效的作用力阻斷，減少地震給建筑物帶來的破壞性，最終實現建筑物有效防震的效果。現階段我國采用隔離震動的設備包括了混合、隔離、支撐、擺動等諸多設備技術。而消能減震技術主要是通過外部一些小的構件來組成內部系統的元件，通過這些小構件來進行阻隔地震所帶來的動能。為了更好地對抗地震所帶來的動能，一些地區采用阻力器，耗能元件來對抗小的震動，風和作用力來對抗震動以提升整個建筑物的抗震強度。同時阻力器、耗能元件也會隨著地震的強度進行改變，通過將地震所帶來的動能進行有效地吸收轉化來減少建筑物的晃動頻率更好地保證建筑物能夠小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震目的。

1.3 混合控制技術

建筑當中采用混合管理控制技術是有效的，將被動控制技術和主動控制技術進行有效融合。通過管理者有效地進行管理和科學技術的應用，有效地將被動技術和主動技術的優點進行結合，增強了建筑物內部和外部的抗震效果。被動控制技術適用性很強，主動控制技術的抗震效果最好，但是兩者都存在缺陷，被動控制技術容易出現檢測漏洞的問題，而主動技術則過于依靠外部的能量控制，且結構系統的構建復雜，難以進行有效普及。然而混合管理技術的抗震效果遠高于單一使用主動控制技術或者是被動控制技術，所以我國很多建筑單位多采用混合管理技術來作為自身的抗震技術。

1.4 半主動控制技術

半主動控制技術可以在建筑物面臨地震來臨時，通過對于自身結構的控制，根據地震的作用力大小來調整控制結構數據，來進行對抗地震所帶來的作用力。這項技術不像主動控制技術，過于依靠外部能源和力量，只需要建設一些弱電設施，就能夠有效保證建筑物的抗震效果。半主動控制技術的使用對象是技術開關，以及有效控制弱電裝置的使用狀態和優化對抗地震作用力的動能。雖然現階段我國對于地震來臨時的預防災難的措施和技術還存在不足，但是我們可以通過提升建筑物本身的抗震水平，不斷優化我國抗震技術，必然可以在未來有效地進行預防地震，減少甚至是消滅地震對于建筑物的破壞(見圖1)。

2 基于性能的建筑結構抗震設計的主要理論

對于抗震設計，基于結構性能的主要理論包括地震設防水平結構、抗震性能目標、結構性能水準等。

2.1 地震設防水平

建筑物的地震設防水平是指在設計整個建筑物圖紙的過程中對建筑物的建設環境和設計目標來做好相應的數據參數考量。我國普遍采用“三水準”地震設防水平作為我國標準化的地震設防水平。雖然“三水準”地震設防水平有效地給我國建筑提供了地震設防水平的標準，但是由于對不同等級的設防水平存在巨大的差異和問題，使得第一級和第二級水準的重現期和超越概率都存在很大差異，這使得建筑物的設計不僅增加了成本，而且還存在危險性。

2.2 抗震性能目標

抗震性能目標是指對于建筑物對抗地震所能達到的性能水平或者是等級。對于建筑物的性能目標是要根據當地的地震頻率、人民居住的數量情況、土地的結構性質、建筑所在地區的文化價值、社會效益等多種因素來進行構建的。結構抗震性能目標也是體現建筑物和當地對于抗震設防水平和結構性能水平的具體體現和綜合的反應能力。

2.3 結構性能水準

結構性能水準是指建筑物在面臨地震時最大能夠承受的預期損傷。2004 年，我國相關的專家學者總結世界上對于地震的經驗和技術，參考了大量的數據文獻，并結合我國實際建筑結構編寫了《建筑工程抗震設計性態通則》，并在該通則當中對于我國建筑物的結構性能水準有明確的要求，標志著我國對于建筑物的結構性能水準已經與國際接軌。但是還有一些不足，在一些具體的性能和力學指標上無法給出具體的標準和說明。

3 我國現階段對于抗震設計理論存在的一些問題

3.1 過于重視抗震結構強度,忽視性能建設

我國現階段許多建筑物的設計單位過于重視建筑物的整體承載能力以及抗震結構強度，忽視了由于外界和內部等多種因素下對于建筑結構的性能設計提升。而且許多設計單位設計人員所學的理論中，都是過于強調建筑的主體結構應對地震時的抗損能力，而忽視了許多微小細節對于控制建筑物損失的能力不足，而且還缺乏抗震損失的經濟評估準則。

3.2 設計理念過于保守

我國許多設計單位的設計人員的設計理念多是保守型，對于一些新技術和設備缺乏相應的適應能力，阻礙了新的科學技術和設施在我國建筑物抗震設計中的融入。而且許多設計人員在進行建筑的抗震設計過程中，缺乏對于現場施工的了解以及對建筑性能的充分考慮，只是盲目地照搬過去一些抗震設計的規范和標準，沒有對實際情況進行充分考察，就制定刻板的設計方案。

3.3 抗震指標不清晰,理念不明確

我國現階段對于建筑物的設計理念和設計方法針對抗震效果的具體數值和規定都不甚明確。而且在一些地區的建筑單位建設者缺乏相應的抗震知識和抗震的理念，對于建筑物建設完成后是否能夠建立抗震性能和抗震能力都無法進行有效地自身判斷。

4 增強建筑物抗震設計的具體操作

4.1 設計過程中明確設計規則和方案

建筑單位在規劃建筑物的設計過程中，要明確具體規則并對相應建筑物的規劃進行有效布置，通過對我國一些地區抗震數據進行有效的分析，結合當地發生地震的頻率，對建筑物的抗震效果做好相應的規劃和設計。通過設立平立面可以有效提升建筑物的抗震能力和減少地震對建筑物的破壞。所以建設單位要明確對于建筑結構的抗震規則，多從建筑物平立面的外形、測力承受力等角度進行充分考慮。對于建筑物外部，要保證其對稱性和均勻性，減少不必要的復雜結構，增強建筑物的抗扭能力(見圖2)。

圖2

4.2 設計過程中考慮建筑物自身重量的問題

建筑物在地震來臨時會造成巨大破壞，不僅是由于地震所帶來的動力所引起的，還有可能是由于建筑本身的質量問題。因此，在對建筑物進行具體開工前，保證地基等具體設施條件不變的情況下，盡可能減少建筑物本身的重量和增加其設計質量。通過對我國地震災害的數據調查顯示，土質屬于軟土層的地區，如果建筑層數過高，建筑的結構屬于頭重腳輕，地震對建筑物的破壞程度會遠高于其他地區同樓層的建筑。

4.3 減少地震的能量輸入

建筑物抗震效果的具體體現就在于設計過程中能否對地震所帶來的最大破壞力提前預測，并對建筑物的結構的形變能力做好提前的調整和規劃。對于建筑物的結構形變數值，設計單位應該對當地的具體情況進行充分調查以及對相應的公式進行有效運算，來保證建筑物的形變能力能夠充分適應地震的最大破壞能力，減少地震給建筑物帶來的能量輸入。

4.4 抗震性能設計方法

提升抗震設計性能的方法主要有位移影響系數、直接位移設計等。位移影響系數法主要是通過對結構性能的設計。做出最大期望位移值的判斷和設計，通過模擬地震作用力，整體判斷建筑物的抗震效果。直接位移設計法，通過對建筑材料的極限數據進行預期的位移判斷，來得到建筑物的抗震性能的實驗數據。位移影響系數法無法具體展現建筑物某一層樓的損壞情況，是屬于整體性的大體評估。而直接位移設計法的局限性就是無法測量建筑材料極限數據之外的抗震效果。

5 結束語

通過對上文的描述和分析，基于建筑物結構性能的抗震設計是一個新型的建設領域和技術，它與傳統的防震設計相比更具有科學性、系統性、適應性和連貫性，能夠有效地提高我國建筑物的抗震體系構建。政府和建筑單位必須要清楚地認識到建筑物的結構抗震效果以及建設水平高低，這直接關乎我國居民的人身安全和財產安全。只有不斷地對我國建筑的防震設計和防震技術進一步優化升級，才能更好地保證我國居民的人身安全和財產安全。