建筑結構設計中的抗震結構設計

文／楊旭 包頭鐵道職業技術學院 內蒙古包頭 014060

引言：

地震災害不僅破壞性非常強，而且具有突發性的特點，造成的損害也相當嚴重，因此，人們對于建筑物抗震能力越來越重視。在房屋結構設計活動中，抗震工程有著很大的重要性，不但需要從建筑本身功能全面考慮，同時需要深入考慮建筑物的荷載、內力和變形等各個領域。從當前來看，在房屋結構設計活動中，防震安全性設計尚有很多缺陷存在，要求相關專家繼續加強研究，在具體實施中還需要與有效的抗震方法及技術經驗進行充分融合，從而進一步提高建筑的抗震性能，進一步提高建筑的安全性、穩定性和持久性。

1、抗震結構設計理念概述與作用

1.1 抗震結構設計理念概述

所謂的抗震結構設計概念，是指把建筑架構設計理論引入抗震工程之中，使建筑結構具備良好的抗震功能。而近年來，隨著我國城鎮化發展的逐步推進，超高層工程已成為中國新時期工程的重點方向。把抗震理念滲透到建筑架構設計之中，可以全面提高建筑的防震能力，給出現嚴重水文災害的住宅建筑帶來了合理的安全保護。另外，好的防震結構設計還能夠增強建筑結構的穩定性和延展性，在強震后建筑結構仍然能夠維持理想的安全性，能夠滿足使用要求。所以，建筑結構的防震設計是建筑架構設計的主要部分，可以提高房屋的防震水平，增加了建筑的利用功能。

1.2 抗震結構設計的重要作用分析

1.2.1 強化建筑的內部性能

抗震設計概念在建筑中的滲入,還可以進行對建筑布置以及結構質量方面的理論指導,以保證結構的安全和穩定性,在建筑抗震設計時留出的余地有利于結構比較合理,在進行建筑抗震設計方案的設計中,還需要嚴格按照國家規范的建筑參數標準,或者參考結構上的剪力墻設計,使建筑布置可以比較均衡合理,即便出現對建筑構件核心部位的破壞,仍可保證結構良好的抗震功能。

1.2.2 提升結構設計水平的路徑

建筑設計工作者在對房屋構造的建筑設計實踐中必須注意各種因素的作用,從整體方面考慮到提高結構設計能力的途徑,在傾注較多心血基礎上,解決人們提出的抗震結構設計要求。由于進行修改工程涉及的條件相當多,所以在架構設計中需要對地震的構件進行多源分析,同時要在材料性能研究上提高架構設計的科學性。這樣可以增強工程架構設計的科學性,根據情況提供針對性的設計方法,通過對原有構件的改造工程來提高其改造能力。以此在建筑材料科學應用的基礎上,保證抗地震架構設計的科學化,根據該區域的地質狀況和抗震特點開展房屋構造的優化設計,在符合抗震要求的基礎上,為民眾提供較為安全的住宅條件。

1.2.3 提升建筑抗震應用效果

多年的工程建設經驗積淀,使建筑的技術知識體系進一步發展,累積了相當較好的工程建設實踐經驗,同時通過現代先進理念在建筑上的運用,也能夠提高抗震的有效性,部分建筑結構出現了明顯的凹凸不規則和超出屋頂高層建筑標準的狀況,在建筑物的抗震方案中,通過加入現代建筑的相關概念,就可以較好的解決這些問題,從而提高了其實際剛度。建筑工程中把升降機設置在中央部位,這是一個提高抗震工程效益的主要方法。

2、建筑工程抗震結構設計基本原則

在建筑抗震構造的設計中，對建筑結構材料在各個領域中的特性都提出了更高的要求，比如承載力、強度、穩定性以及延性等。在設計耐震構造體系時，建筑設計人員還應該充分考慮到震后往往會有許多余震。一般利用多線防御設計，利用延性與剛度的聯合效應，逐漸消耗震害能力，從而降低震害對建筑的損害，提高建筑構件的防震效能。在震害作用下，能夠在損傷主耗能材料后實現彈性適應，防止建筑物構件的二度損傷。耐震結構設計要遵守的準則還有如下幾方面。

2.1 整體性原則

從建筑的觀點出發，抗震建筑的建筑設計應當貫徹整體性原理，在抗震建筑的建筑設計時，應當保證建筑構件的總體抗震特性。防止因為地震災害所引起的部分結構損傷而造成整體結構的不穩定，從而產生潛在的重大安全隱患。同時把建筑抗震構件劃分成若干級結構，根據需要提高各個次級結構的整體抗震特性，并進行次級結構間的合理銜接，改善房屋的總體抗震特性。

2.2 結構清晰原則

從流體力學的觀點出發，為建筑物所設計的防震結構大多通過分散傳播能量和消耗地震力的途徑來減輕對地震的損害，所以很有必要做好地震傳播途徑的選擇。在這些前提下，了解建筑構件的具體位置就十分關鍵。利用計算機技術，能夠精確測算在抗震期間作用于建筑結構模型上的作用力，從而有效應對和增強在抗震構件中出現的問題，總體上通過提升建筑效率和水平就可以完成抗震結構。

2.3 結構規則原則

側向剛性也是建筑物結構抗震設計的主要內容。保證側向強度的統一性，才能提高建筑物結構的穩定能力。建筑物空間結構的布置主要包括了垂直與水平。所以，有必要在建筑物結構抗震工程設計中進一步增強結構布置的科學化與合理化，以保證建筑物結構中各組成部分的側向強度均相同，以便于提高建筑物空間結構的穩定能力與抗震性。

2.4 結構剛度與抗震能力相匹配原則

建筑剛性與抗震性能是判斷建筑物結構是否有效對抗地震災害的關鍵因素，所以建筑物設計的抗震方案設計要堅持建筑剛性與抗震性能相匹配的原則。在防震建筑設計活動中，工程設計技術人員要高度重視建筑構件的剛性。近年來，由于建筑高度的增大，對建筑強度的要求也愈來愈大，建筑強度和防震水平的配合原理顯得愈來愈關鍵。

3、建筑結構抗震設計中存在的問題

3.1 工作人員沒有充分明確抗震設計概念

加強建筑抗震設計，最終目的是為了有效抵御各類地震災害造成的不利影響，增強建筑物自身抗震能力，避免人員和財產遭受損失。但是在過去很長一段時間里，即使是在當下，仍然有部分建筑工作者，僅是利用傳統的混凝土鋼筋的自身強度來抵抗地震所產生的破壞。在實際經驗中表明，建筑構造中大量使用混凝土鋼筋的最終質量取得的效果并不佳，一旦混凝土鋼筋量使用過多，反而會導致建筑材料延性的下降，從而使得建筑構造抗震能力無法保證。由于科學研究工作的不斷深入，許多建筑設計人員逐漸發覺，對抗震工程設計僅僅采用理論計算是不夠全面的，在建筑設計過程中，還必須對需要加強的地方加以合理設計，對建筑薄弱部位加以合理設計，采用這樣的合理設計方法，來最大程度地保證建筑結構安全，這主要是因為容易損壞的薄弱結構會擾亂震動時機，從而提高了建筑物穩定性。由此可見，在建筑物抗震設計過程當中，建立合理的抗震設計理念，十分關鍵。

3.2 抗震設計在結構設計中不夠重視

當前的中國房屋結構往往在抗震中出現了大面積損壞，究其原因，主要是由于抗震工程在建筑結構設計上的效果還不夠突出，對工程技術人員缺乏重視而導致，而且這種問題特別容易在建筑的加層或在改造時出現，而這種小問題，甚至小隱患在遭受地震以后也會被進一步擴大，變成了危及人身健康和房屋安全的嚴重問題，所以工程設計部門就必須根據中國建筑的特點，對抗震等級和建筑的基本結構做出科學的判斷。

3.3 結構體系的選擇

建筑的構造體系是人類越來越關注的問題，建筑構造系統的合理選擇對防震的產生具有重大的意義。由于目前，中國的建筑構件大多以鋼筋居多，所以在變化調節的工作過程中要充分考慮鋼筋的位移影響。在剛框架系統中工作時很難改變較大的扭曲側移度。這些情形無益于提高結構抗震作用，同時會增加構件的荷載能力。從整體構造系統中考察，結構過渡層的設置十分關鍵，加強層和過渡層強度的剛性增加，在一定程度上導致剛性的突出，進而增大了相鄰支撐構件之間的剪應力，所以要慎重的選用構造模板，以防止負面效應的產生。

3.4 高層建筑的不斷增多

隨著經濟社會的進一步發展，高層建筑在中國逐漸的擴大，但是一些高層建筑的高度已經超出了國家規定的范圍，我們要高度重視這種高層建筑。首先設計人員要進行實際的調查，并在實際案例的基礎上進行合理的論證。其次還要多次進行模型試驗。因為高層建筑的高度都達到了一定的要求，那么在實際的地震活動中，對動作用力的破壞力將會大幅度的提升。由于建筑物樓層的上升，許多技術指標都超過了正常的范圍，所以地震對它的損害范圍也大大的上升。

4、做好建筑結構抗震設計的策略

4.1 選擇適宜的場地

選取適宜的場所，是建筑設計工作者做好防震工程設計的第一步，也是最關鍵的步驟，因為適宜的場所有利于對抗地動力，而相對平整寬闊的土壤空間則有助于提高房屋的防震水平。相對平整的土壤空間可以傳導相同波速的地震波，防止在相同的地方發生不同的重力，相對密實和承載性能較高的土壤可以較好地分擔從房屋結構傳下來的重力作用，還可以增強房屋和地面結構的穩定性。在挑選施工地點的同時應該盡可能規避完全液化粘土、濕陷性黃土、采空帶和河堤邊沿等地區，防止混凝土體的密實性不均勻、硬度與凝結性差異對施工結構設計產生干擾，對某些易出現水文自然災害如塌方、泥石流的地區則應該適當回避，同時避免地震斷裂帶，減少施工建筑對震害的抵抗力。

4.2 在建筑設計時做好住宅空間的結構設計

合理布置建筑的結構指的是進行建筑的形體設計和結構設計，并且要充分考慮建筑構件的立體設計，其中包括地基基礎的埋深度。由于整個建筑物結構都可認為是一個錨固于地面當中的柱形物體，在地震來臨時主要考慮重心是否會造成整體建筑物傾斜，這也便是由地震引起的水平力所產生的力矩大小和錨長度作用所產生的力矩之大小的比較，如果重心所產生的正力矩很大，那么整體建筑結構就會傾斜，而如果較小則比較平穩。做好房屋空間結構的選擇和布局對增強房屋結構的抗震功能具有不言而喻的意義，在布局結構的同時還必須重視一些問題。首先，在地震災難出現的地方，建筑結構承受的外力不僅是一種水平的推力影響，其結構在空間上也可能遭受其他的外力影響，包括地震破壞事件中不同方式的房屋構件的外力。所以在進行房屋結構建設的同時必須充分考慮到構造可以對抗各個方位的應力，確保房屋構造具有適當的剛性、硬度和安全性，可以對抗自然災害引起的應力。所以，房屋構件在空中的剛性和強度越高，越能夠對抗地震。其次，必須注意使建筑盡量簡潔，避免設計成異形構造的住宅。因為對稱的房屋結構是最能夠抵消地震的影響。此外，在建筑抗震設計規范中詳盡闡述了何為異形構造，在地震發生過程中異型構造的抗震性遠超過單純的方形構造，但同時在建筑設計中也要注意盡量避免在房子的四角部分設有門窗，這會削弱房子四角對地震的抗性，從而使得房屋結構的抗震性大大地增加。工程設計時技術人員必須在保證將建筑構件的體型盡可能簡化的情況下，對一些主要的結構加以重新設計，確保建筑物的承載能力、所進行的功能都可以達到相關工程的設計要求。最后，就是要保持房屋結構的完整性，這就是說設計工作者必須在建筑設計時保持主要承重結構、次要承重結構及其圍護結構相互連接的完整。

4.3 做好結構參數的選擇與計算

在從事鋼結構的設計工作時，特別是在抗震設計時必須對結構的工程參數加以優化，因為一旦工程參數的選定有誤，將對的抗震能力產生較大的危害，所以在工程設計以前，所有建筑設計工作者都必須對工程參數進行反復的計算，對于不可以設定的工程參數必須通過鑒定，勘察設計部門必須對現場情況加以確認。從模擬地震災害而形成的模型當中研究，也可根據比例構造房屋的模型，并在振動臺上將抗震現象加以測量，找出房屋構造抗震的薄弱點，加以分析和加強，以此確定房屋構造在抗震時的受力合理和科學性。

4.4 對結構的自重進行弱化

在地基要求一致的情形下，工程設計技術人員對建筑物實施抗震構件的設計顯得極為重要。如果在設計過程中可以減少建筑結構的墻體自重，那么便能夠更合理的提高建筑物的結構層數，從而進一步的控制建筑成本，這樣效果在軟地基的狀況下就會比較突出。另外，建筑物的結構質量也會直接影響抗震的效果，因為一旦建筑的結構層數過多，地震作用越明顯，地震作用可能帶來的損傷越嚴重。盡量減少這一現象，可以用輕質材料來減輕控制結構本身的重量，優化結構質量分布。在進行設計的過程中，要合理優化結構自重與層數之間的關系，既保證建筑經濟性，又要保證良好的抗震能力和結構安全性。

4.5 砌體結構與抗震系統的設計合理選用

在建筑物的結構設計過程中必須要對構造抗震體系做出合理的選擇，這也是在建筑物構造與抗震方案設計過程中，必須慎重考慮的問題。另外，建筑物構件的抗震方法的選用能否具備相當的合理性也是判斷建筑物構件的安全與經濟效益的關鍵因素。

（1）首先，在地震的災害之中，要避免因為結構或者構件的破壞導致的整體建筑結構失去抗震的能力。建筑結構設計過程中，一個重要的設計原則是當建筑結構具有良好的承載能力和變形協調能力，且無明顯的薄弱部位，在地震發生的過程之中，可以良好的發揮抗震的性能。即使有部分的構件退出了工作，剩下的構件也可以承受荷載作用，防止整體結構失去平衡、發生破壞。

（2）在建筑的結構內部，也就必須具有完整而具體的建筑結構的簡圖，它也包括著正確和適當的地震的產生和傳遞的途徑。明確的傳力路徑，保證了地震作用下，構件的有效連接和承載。同時，還應使構件的傳力盡可能往豎向方向發展，減少豎向不連續情況的出現。

（3）建筑的結構體系要有合理的剛度和強度，同時，剛度布置合理，分布均勻。在抗震設計過程中，為了防止地震作用過程中局部的削弱和變形，對建筑物產生過大的影響。因此在建筑結構設計中，要對結構薄弱部位進行加強，采取一定的加強措施使該部位強度和剛度合理，使建筑整體剛度分布均勻，提高整體的抗震能力。

4.6 合理布局，控制地震能量

采取減少地震作用的方法可有效減輕地震災害對建筑結構造成的負面影響。為嚴格控制地震災害產生的能量，在建設土木工程結構的過程中，還需認真分析建筑物位移動作的影響因素，且在結構設計的過程中注重因素的合理預測與定量分析，以期在結構設計的過程中減弱地震震動產生的能量。同樣重要的是，發生地震時，為嚴格控制建筑物可能出現的破損和變形問題，需認真分析和設計建筑底部位置的塑性變形，這種方法在地質硬度較高的土木工程建設中具有十分顯著的優勢。在設計過程中，工作人員應將結構間的關系及力傳導方向等進行思考和分析，合理利用結構間的協作關系，實現對地震能量的消減和把控，降低地震能量波集中傳導對局部建筑結構帶來的影響和威脅，保證建筑的質量。在力傳導分析中，要做好應力均衡劃分的思考，避免局部應力過大帶來的威脅，保證建筑結構的質量。

4.7 建筑材料的科學選擇

就所有的城市建筑物結構來說,其主體的主要承載建筑材料一般都是建材,而建筑物本身的可塑性與強度又在整體建筑的抗震特性上發揮著重要的影響作用。正是基于此原因,在對整個城市建筑結構實施抗震設計的過程中,建筑設計人員就必須充分考慮建材的正確選用。在具體選材時,還需要根據城市建筑所在地具體的地理特點、地形地貌、板塊活動中的各種情況等加以充分認識,并以此為基礎來選用抗震性能符合城市實際建筑要求的建材,如此才能夠使整個城市建筑物結構的抗震特性獲得有效保證。通常情況下,在城市中房屋結構的建筑材料選用上,通常以低質量、高強度的建材居多,并且還要保證建筑穩定性和延展性都足夠好。

結語：

綜上所述，防震自然災害是近年來在中國發生較多的自然災害，其破壞性能極強，嚴峻危及人類的自身健康，加強了房屋的防震能力并引發了各界的重視。目前，更有效的抗震設計方法尚有待繼續研究，以最大限度地增強建筑物抗震功能，才能夠盡可能地降低因地震災難所造成的建筑損失。