建筑結構設計中抗震設計要點

劉建輝

（湖北建藝風工程設計有限公司，湖北 荊州 434000）

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 高層建筑常見結構類型

2.1 框架結構

框架結構以框架梁、柱為主要承受荷載和地震作用構件。梁、柱等構件自重輕、易于標準化和生產定形，因此框架結構具有節省材料、空間布置靈活、便于實施裝配式等優點。框架結構側向剛度較小，水平地震作用下易產生較大層間位移，因此最大適用高度受到較大限制，以抗震設防烈度6度為例，一般不得超過60m。框架結構變形形態是典型的剪切型，結構豎向體型布置時，重點需要控制層間側向剛度比和受剪承載力比，避免出現軟弱層和薄弱層。

2.2 剪力墻結構

剪力墻結構以剪力墻為抗側力構件，具有整體性好、側向剛度大等特點，能適用較高的建筑高度。但是結構延性較差，與框架結構相比，空間布置受剪力墻最大間距的限制。剪力墻布置宜使結構規則、均勻、具有適宜性的側向剛度，平面上宜雙向布置使兩個主軸方向剛度均勻分布，豎向宜上下連續避免造成剛度突變。另外，由于疊合錯洞墻的應力分布復雜，在實際設計中應盡量避免門窗洞口上下錯開，確實無法避免時，應特別注意洞口周圍的受力分析計算和加強措施。

3 房屋結構抗震性設計原則

3.1 簡化原則

結合以往的設計經驗得知，在抗震設計過程中，所設計的結構形式越簡單，傳力越清晰明了，其抗震性能也越高，而且簡單的抗震結構在進行力學性能計算時，其計算結果的可靠性和準確性也越高。對此，在應用設計中，可以結合實際情況適當簡化房屋抗震結構計算模型，優化結構構件的傳力途徑，這樣能夠有效提升房屋建筑對建筑地震作用力的承受能力，全面提高房屋建筑在結構設計中的抗震性能。

3.2 整體性原則

展開建筑抗震設計時，設計內容不只是針對某一個建筑內的某一個部位，而是將抗震設計貫穿到整個設計過程中，從而提高建筑整體的抗震性能。在具體設計過程中，需要從整體性設計出發，使其滿足各大指標要求。對各種可能影響結構抗震性的影響因素進行分析，借助數字模型對于結構參數進行優化處理，以此來提升結構本身的抗震性。而且對于構件需滿足其抗震構造措施的要求，避免應力集中等問題的出現，從而提高結構本身的穩定性和可靠性。

3.3 規則性原則

建筑規則性原則內容主要體現在以下2方面：1）在建筑設計期間，需要沿著建筑物豎向均勻布置建筑造型和結構，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結構變形的情況。2）建筑平面比較規則。平面內結構布置比較均勻，使建筑物質量分布與結構剛度分布協調，限制質量與剛度之間的偏心。

4 抗震結構設計中的常見問題

4.1 結構參數設計不合理

進行抗震結構設計的主要目的在于，在地震災害出現時，能夠降低災害帶來的經濟損失。從目前的應用情況來看，結構參數設計并不滿足抗震要求，并且結構應力分布不均勻，降低了結構的耗能能力。另外，還應對結構的薄弱層或薄弱構件進行加強，并對一些復雜結構進行抗連續倒塌設計。

4.2 缺少可靠的驗證方式

結合以往的設計經驗，進行抗震設計內容合理性驗證時，經常使用到的檢驗方法是：1）使用抗震模型來開展模擬檢測；2）在地震發生后，對建筑完好情況進行檢驗；3）進行地震危害問題的分析。施工技術體系成熟度的增加，使得建筑工程內容的復雜度也在提升，若是直接進行抗震試驗，很難得到可靠的反饋結果。因此，借助BIM技術、數字技術來建立建筑工程的三維模型，進行模型的抗震試驗，以此得出建筑的抗震等級，為抗震設計內容調整提供數據參考。從實際應用情況來看，受預測技術成熟度的影響，不同模擬軟件得到的模擬結果也存在不同，這也導致評估結果不一定與實際完全相符。所以，在地震發生后，應進行建筑工程地震震害檢查，例如，對混凝土結構工程的整體性進行檢查，包括：建筑物的整體外觀、沉降觀測、沉降差、沉降速率、建筑整體垂直度、整體位移及受震后易損部位的檢查等。并且，根據檢測的結果，研究地震對建筑物產生的影響和危害情況，為以后的結構抗震設計積累寶貴的經驗。

5 建筑結構設計中的抗震設計

5.1 對二道防線的措施

本工程剪力墻作為結構抗側力的第一道防線，第二道防線為鋼筋混凝土柱與外框鋼筋混凝土梁組成的鋼筋混凝土框架，為保證第二道防線的可靠性，采取如下措施：1）在盡可能控制經濟性能并不影響建筑功能的前提下，采取控制柱軸壓比、增大柱截面與加大外框梁截面的方式以提高外框架的抗側剛度，增加外框架的剪力分擔比。2）通過框架剪力按0.2V0與1.5Vf，max調整的方式，提高外框柱強度儲備，保證二道防線安全。

5.2 針對剪力墻的加強措施

為增強剪力墻的受力性能，改善剪力墻的延性，采取如下措施：1）嚴格控制加強區墻體在重力荷載代表值下的軸壓比在0.6以下，對樓板洞口周邊的剪力墻適當加厚。2）在較長墻肢中設置結構洞口，以減小單片墻肢的長度和剛度。3）底部加強區域內，提高角部墻體的約束邊緣構件配筋率，提高加強區墻體的承載力和延性。4）嚴格控制剪力墻截面的剪應力水平，適當提高底部加強區剪力墻水平鋼筋的配筋率，以提高剪力墻的抗剪承載力。5）底部樓板洞口周邊剪力墻加強平面外墻肢約束，以提高其墻體穩定能力。6）在不影響建筑功能的情況下，剪力墻設置邊框柱，并安規范要求設置暗梁。

5.3 依據抗震標準，規范平面及豎向設計

平面規則與建筑物的穩定性也存在一定的聯系，這是設計人員在設計過程中必須考慮的因素之一。通常情況下，抗震建筑的平面是有一定標準的，比如，凹凸口的深度與寬度，平面長度不宜過長，不宜采用角部重疊或細腰形的平面布置。因此，結構平面布置應力求簡單、規則、對稱，避免剛度、質量和承載力分布不均勻。對于有較多凹凸口的復雜形狀平面要進行特殊設計或采用一定的補救措施，以最大限度地保證建筑的穩定性。對于抗震高層建筑的結構豎向布置，應避免過大的外挑和收進，宜規則、均勻，結構的側向剛度也應該做到上小下大均勻變化，豎向抗側力構件宜上下連續貫通。

5.4 計算模型和整體分析方法

高層建筑內力和變形計算應當采用能夠合理反映結構受力特性的計算模型。一般情況下應建立空間三維的整體計算模型，對于復雜高層和超高層建筑結構還應采用多種力學模型進行分析比較，確保分析結果的可靠性。高層建筑結構的計算模型應根據實際計算精度的需要，充分考慮不同工況對各種荷載效應的影響，如施工過程對重力荷載效應影響、不同風向及風向角對風荷載效應的影響、雙向水平地震的耦合等。對于需要考慮結構動力響應、材料非線性的情況，應相應采取時程分析、彈塑性分析予以補充計算分析。在進行結構設計之前，還應認真分析判斷力學模型的合理性和計算結果的準確性。

5.5 變形假定

進行重力荷載和多遇地震作用計算分析時，在幾何非線性的影響可忽略不計的前提下，通常采用小變形假定簡化計算。對于剛重比較小的高層建筑結構，可以采用內力和變形增大系數修正小變形假定下的線性計算結果的方法，近似反映二階附加效應。在進行罕遇地震作用的計算分析時，對結構薄弱部位應補充相應的彈塑性變形驗算，確保實現“大震不倒”的設計指標。

6 結語

在建筑結構設計過程中，抗震設計屬于重要的設計內容之一，借助可靠的抗震設計，能夠有效提升建筑結構的穩固性，降低地震發生時出現坍塌的概率。需要注意的是，所有的抗震設計內容需要嚴格遵守相應的建設規范，同時做好結構細節的設計工作，以此來提高建筑工程的綜合性能，延長使用壽命。