建筑結構設計中的抗震設計

◎彭洋

地震所具有的破壞性會給人們的生產生活帶來嚴重的影響，造成重大損失。特別是近年來，地震的頻繁發生，國家、人們的安全極大的受到了威脅，因此抗震設計在建筑結構設計中越來越受到關注。隨著我國對地震方面的研究，建筑結構設計雖然不斷進步，但是抗震設計仍然存在不少問題，抗震設計問題亟待解決。

一、引言

地震是我們常見的一種自然災害，且地震帶來的危害大、破壞性強、還具有不容易預測的特點，所以當地震一旦發生，其危害將十分巨大，如果我們的建筑沒有抗震性，就可能使人們的生命財產安全遭受毀滅性破壞。所以說，建筑自身的抗震性具有十分重要的作用。我國在對建筑抗震規范的抗震要求提出一定要做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則，根據這個要求和目標，我國建筑結構設計的抗震性取得了十分重大的成就，建筑的抗震技術也基本成熟，使人們群眾在地震中收到傷害的可能性大大減低，但目前的建筑抗震性距離人們的要求還有一段距離，而且隨著建筑的裝飾越來越豪華，如何避免人員傷亡，并盡可能的保護建筑已經成為抗震技術應用層面的又一新方向。

二、建筑結構抗震設計概念

建筑結構的概念性抗震設計是根據基本建筑設計原則和思想，確定具體項目的設計和細節結構的過程。設計原則和想法依據多年的工作經驗，在抗震結構中計算地震安全性至關重要。抵抗地震計算的基礎是概念。概念設計比地震計算起著更重要的作用，原因有三：首先，土地的運動和地震是非常不確定的。其次，我們不能確定地震中復雜地面運動。再者地震期間的結構響應程度最終沒有完全反映在設計概念中。因此，完全依靠計算結果來完成建筑物的抗震設計并非詳盡甚至危險性很大。地震概念的基本原則是注重地震場地的科學選擇，選擇合適的結構地震系統，并選擇合理的結構材料。

三、建筑抗震設計的基本原則

（一）整體合理性原則

進行房屋建筑抗震設計，首先要保證整體結構設計合理，嚴格遵守建筑抗震設計和結構設計標準，保證建筑整體設計的科學合理性。在這個過程中，抗震設計要有自己的特點。建筑結構設計時，應根據建筑結構周圍的環境特點，設置不同的抗震設施。抗震設計規劃應充分考慮建筑的整體規劃方案，對建筑進行具體的結構規劃設計，確保建筑安全，有效提高居民生活質量。

（二）扭轉不規則性

《建筑抗震設計規范》規定，在偶然偏心的規定水平力作用下，樓板兩端抗側力構件的彈性位移或層間位移的最大值與平均值之比不應大于15，稱為扭轉不平順。同時，山西省住房和城鄉建設廳發布的《山西省超限高層建筑工程抗震設防界定規定》號通知規定，當比值大于1.2 時，列為三個不規范定義之一。相關研究表明，可采取以下調整措施，降低側力構件彈性位移或層間位移最大值與平均值的比值。（1）布置剪力墻時，在滿足建筑需要的前提下，盡量加長建筑周邊的剪力墻，增加建筑周邊剪力墻的厚度或增加周邊連梁的剛度。（2）布置剪力墻時，縱墻或橫墻應盡可能對齊，且剛度相近。通過調整建筑結構的平面布局，如適當增加或減少遠離質心的抗側力構件，使質心與建筑剛性中心更接近。

四、建筑結構抗震狀態分析

我國很多既有和在建的高層建筑或多或少都考慮過抗震這個環節，但很多時候設計者和建造者都沒能把這個環節落實到位。通過調查，我們發現了目前我國高層建筑存在的一些共性問題，主要體現在高層建筑的高度超標，很多開發商為了獲取更多的利益，選擇建造超出安全高度的高層建筑。一旦建筑高度超過安全設計高度，其結構將被破壞，穩定性自然下降，導致建筑在地震后更容易受損或倒塌。其次，一個常見的問題是高層建筑的建筑地址選擇也存在一些問題。隨著城市人口的增加，對住房的需求也在增加。為了獲得更多的利益，開發商應該盡可能多地開發可用的土地資源來建設高層建筑。但為了加快發展，很多高層建筑在選擇建筑地址前沒有充分考慮地質問題，沒有嚴格勘探建筑場地的地質結構，這也是對建成后房屋抗震能力的極大考驗。

五、建筑結構的抗震設計

（一）材料的選擇

建筑結構的抗震設計通常因地區而異，地震建筑材料的選擇通常基于該地區的地震歷史而形成。根據一個地區的地震歷史，可以推導出反映該地區建筑物抗震要求的科學數據。建筑物的結構受到材料的剛度和可塑性的影響。輕質材料在滿足基本設計理念后通常具有較低的抗震性能。在東北部地區，鋼筋混凝土是實現某些地震效應的首選材料。補償器的結構實現了良好的抗震性能，通常是大型建筑物的抗震措施，主要是為了提高基礎的穩定性。

（二）房屋建筑結構設計選型

在建筑工程方面，無論是承載的能力，還是剛度，都要做到在房屋建筑方面的均勻分布。而聚焦于結構平面方面的不規則，設計人員在工作之中要對其程序實施特別嚴格的控制。而在平面布置之中的嚴重不規則方面，通常情況下要因為上述的原因而做到禁止加以使用。

1.在豎向承重結構方面的選型。

在建筑豎向體型方面，受限于結構必須規則的規律而不能夠過大。通常情況下，無論是豎向抗側構件方面的不連續，還是側向剛度的不夠規則，都是結構豎向不規則的具體內容。就水平荷載作用之下的房屋結構而言，其側移變形在房屋建筑高度不斷提升的情況下將顯著地提升。對于結構所實施的相關設計之中，對材料的下述兩個方面要特別予以重視：一是剛度；二是強度。結構方面使用的功能會因此而充分地得到發揮。在這樣的結構形式之中，一般情況下以抗裂的能力因為其具備建筑樓層特別少為最重要的特點而較為差。也就是說，上述這樣結構類型方面選型實際上的不適合的。

2.在水平承重結構方面的選型。

就重力承載方面建筑結構而言，在建筑物的使用之中，一般情況是借助于相關的水平結構加以實現的。這樣的結構在沒有意外的情況下所包括的既有密肋樓蓋，也有無梁樓蓋等諸多的方面。

3.下部結構方面的選型。

在下部結構類型的選擇方面，高層房屋建筑在好壞的具體程度所產生的這樣一些方面影響是較大的：一是施工的具體時間；二是工程造價的多少；三是結構的安全。因此，選型方面工作是特別重要的。就常見的基礎形式而言，一般情況下為下述的三種：一是片筏基礎；二是交叉梁基礎；三是柱下獨立基礎。

4.結構延性。

就柔性參數而言，在高層建筑結構方面通常情況下都是特別顯著的。其所導致的為地震的作用力的影響使得建筑的變形特別厲害。而無論是傾斜，還是倒塌，在地震的作用下，房屋都有可能發生。因此，適當的穩固結構方面的措施要不斷地強化。

（三）隔震措施

一般來說，建筑物的抗震設計要依據地理環境和建筑物大小，而且隔震措施也是進行有效的地震等級測試。地震隔離通常涉及基礎隔離、層間隔離和懸浮隔離。建筑隔震措施的減弱了地震對建筑物的影響，通常放置在建筑物的關鍵位置。

一是土壤措施：瀝青原料隔震層是我國比較常見的隔震層。其基本隔震層是緩沖層，因為它與建筑物基礎底部的土層接觸，能夠很好地吸收和反射地震力，從而減少地震對建筑物的破壞。科學和技術不斷發展，我們相信建筑結構的隔震設計正變得越來越完美。

二是基本隔震措施，基本抗震性能一般包括混合隔震、底滑隔震、夾層橡膠隔震。基本隔震機制主要用于防止地震從地基上擴散，使多層建筑一般接管基本的隔離措施。建造建筑物時最重要的是基礎設施設計。上層建筑取決于基礎，因此我們需要密切關注基礎設施設計。

三是層間隔離措施。層間隔離概念的實現簡單易用。因此，通常將早期建筑物中的中間層隔離。中間層的隔震系統可以吸收地震的殘余力，減弱地震力的影響。

四是懸掛隔離措施。這是一種有效的抗震效果，適用于具有優異抗震性能的大型鋼結構。懸架絕緣的機理是通過建筑物的懸掛實現隔離效果。懸掛結構分為主體和下體，在地震期間，主體承載大部分地震力，以減少地震對下半身的破壞。中間管的土壤不會傳播，地震會對上部結構的主要結構造成損壞。有效降低懸浮絕緣的絕緣效果明顯，并將逐步使用。經過多次實踐和研究，懸架隔震的設計理念更加完善，有效提高了建筑物的安全性。

（四）建筑結構參數的合理設計

1. 建筑結構依靠延展性來抵抗地震作用下墻體的非彈性變形。因此，在地震的情況下，建筑結構的延展性與建筑結構一樣重要。為了使鋼筋混凝土結構在發生地震時具有良好的延展性，有必要將其參數設計中的形狀變形集中在具有良好延展性的部件重量上，或者集中于良好的膨脹。建筑物的參數設計是地震作用下建筑構件的響應計算，包括墻柱和舊墻板的承載力和變形的計算。

2.在初步計算之前，應根據高層的實際工況確定合適的計算模型。在特殊情況下，相應的簡化處理和計算可遵循概念設計。計算軟件條件必須嚴格按照相關規范和標準執行，并可根據實際設計條件進行特殊處理。在復雜結構的變形和剪切力分析中，使用兩種或更多種不同的力學模型，使用兩種理論，即主拉應力和剪切理論。主拉應力理論主要用于砌體，剪切理論主要應用于砌塊結構。

（五）通過性能阻尼設計的抗震性能

性能阻尼通常通過使用阻尼器來實現，并且效果顯著。能量消散器可以消耗地震的能量，阻尼器可以吸收地震的能量，以確保建筑物主要結構的安全。功率阻尼是多功能的，可用于新舊建筑。

傳統的地震結構系統通過改變結構的剛度來實現抗沖擊性。該系統也有缺點。首先，這種設計的結果是建筑物被打破，但沒有倒塌。因此，它不適用于紀念性建筑，適用于成本相對較高的建筑物和核電站。第二，建筑物的破壞是非彈性變形，非彈性變形是不可逆的。如果建筑物的變形嚴重就不能修復，如果情況并非如此，它可以修復，原來的建筑只能用更多的資金建造新的建筑物。隨著時間的推移，越來越多的高層建筑正在增加對建筑物抗震系統的需求，傳統的抗震結構體系的缺點也在顯現，使得建筑物無法滿足一定的地震標準。新的功率阻尼設計使建筑物的地震水平達到標準，其應用范圍廣，抗震效果顯著。

（六）通過防止共振進行抗震設計

兩個物體的自然振動周期接近發生共振，當地震發生時，建筑物和位置會產生共鳴，建筑物容易倒塌。因此，為了提高建筑物的抗震性能，必須防止共振。建筑物的自然振蕩周期受到結構層數，結構類型和結構系統的影響。為了避免建筑物與位置之間的共振，自然振蕩周期是不同的。因此，應對這些因素進行一些調整以防止發生共振現象。

六、實例分析

某項目隔震層設置在第二層與第四層之間，層高為2m。橡膠隔震支座設置與建筑物結構的受力情況有關，一般情況下，其應設置在結構受力較大的位置，型號、尺寸、隔震支座的數目和分布根據隔震層上部傳下來豎向承載力、隔震層本身的側向剛度和阻尼的要求通過計算確定。隔震層在罕遇地震下應保持穩定，不宜出現不可恢復的變形。隔震層橡膠支座受拉效果較差，在罕遇地震作用下，應盡量避免此情況的發生。隔震結構橡膠支座的平面布置分別見圖1。項目全部采用橡膠隔震支座組成隔震層。本項目結構隔震層共布置了85 個橡膠隔震支座，共選擇了7 個型號。其中LRB-G4-800-Tr162-C160共 8 個 ，LRB-G4-1000-Tr182-C180 共 28 個 ，LRB-G4-1200-Tr203-C200 共 14 個 ，LNR-G4-1300-Tr203-C220 共 4 個 ，LNR-G4-800-Tr162-C40 共 18 個，LNR-G4-1000-Tr182-C50 共4 個，LNR-G4-1200-Tr203-C60 共 9 個。

圖1 隔震支座平面布置圖

圖2 LNR-G4 D800-Tr162-C40 及LRB-G4-D800-Tr162-C160 上預埋件尺寸

橡膠隔震支座材料及配件要求：鋼板Q235B，錨筋45 號鋼，fy=350Mpa。配件：M30x120，M33x120，M36x140 高強發黑六角頭全螺紋螺栓，符合GB5783，強度等級8.8。每個六角頭全螺紋螺栓配相應墊片一個。鋼板應嚴格按照鋼結構規范進行防銹處理。支座安裝傾斜度不大于1/300。除去連接板部分的橡膠支座，各部分之間除可靠粘結外，必須是整體高溫硫化而成。支座使用壽命不得少于建筑物使用壽命。錨筋采用45 號實心圓鋼，錨筋與端板采用穿孔塞焊連接，錨筋與預埋板之間采用螺紋連接，其螺紋長度分別不小于預埋板厚度。

七、結論

總之，要使建設項目真正能夠緩解甚至避免地震災害，必須從選址、設計、施工、質量控制和竣工驗收中選擇抗震結構工作。在抗震設計中，新結構體系形式復雜，難以分析，全面細致地考慮結構的各個組成部分，未來將成為新結構體系設計和考慮的重點。在設計建筑結構時，還要充分了解抗震設計問題和抗震要求，充分考慮抗震設計的意圖，確保建筑物的抗震能力，從而減少由此引起的生命和財產損失。