建筑結構抗震設計原則及設計要點分析

邱 一

抗震設計的目的在于確保地震發生時建筑結構的完整性和功能的持續性，以減少生命和財產的損失。隨著科學技術的進步和社會對安全性要求的提高，抗震設計的相關研究和實踐已成為工程設計中的熱點。尤其是在地震頻發的區域，建筑結構必須遵循一系列抗震設計原則，并在設計過程中充分考慮各項關鍵技術。

本文基于當前國家標準和規范，綜合考慮了結構的安全、功能和經濟性，提出一套完善的抗震設計要點，并對關鍵技術處理方法進行深入分析，旨在為建筑結構抗震設計提供參考和指導。

1 工程概況

1.1 工程背景簡析

本文案例工程為甘肅省某市某醫院分院建設項目，場地內無建筑物拆遷，無需要保護的古跡、樹木，用地性質為政府劃撥醫療用地，總用地面積為13326.77 m2（約1.33 hm2），由綜合樓、后勤樓、擬規劃中醫康養樓、室外地下醫療污水處理池和地下生物能鍋爐房組成。其中綜合樓是12 層的鋼筋混凝土框架結構，占地面積為3897 m2，總建筑面積為18584.87 m2，其中地上建筑面積16058.74 m2，地下建筑面積為2526.13 m2。

該工程旨在滿足日益增長的醫療服務需求，并在地震災害發生時提供緊急救援和醫療支持。考慮到醫院建筑的特殊性，不僅要保障醫院在地震發生時的穩定性，還要確保醫療服務的連續性。在規劃階段，首先對該地區的地震發生頻率和強度進行詳細研究。同時，通過對歷史地震數據的回歸分析，得出了預期可能遭遇的最大地震強度，為后續的結構設計提供重要依據。

1.2 工程地質與水文地質情況

建筑場地地層在勘探深度范圍內現自上而下的情況，如表1 所示。

表1 甘肅省某市某醫院分院所在地區的地震帶特征信息

1.3 建筑類型與功能需求

該醫院綜合樓為一座12 層的鋼筋混凝土框架結構，功能覆蓋急診、門診、病房、手術室及輔助設施，包括醫療氣體系統、電力應急系統和信息通信系統。考慮到醫院的特殊性，設計時不僅要滿足醫療建筑的基本功能，還要提高其抗震性能。因此，在結構設計時，除了常規的安全性評價，還引入了彈塑性時間歷史分析，以評估在極端地震事件下的結構性能。綜上所述，該醫院建筑的設計旨在確保在最不利的條件下，依然能夠保持結構完整性，并繼續提供緊急服務。

2 建筑結構抗震設計原則

2.1 遵循的國家標準與規范

根據規范，建筑設計加速度系數的基本值為0.2g（g為重力加速度，取值9.8 m2/s），響應修正系數為1.0，建筑地震影響系數依據建筑的重要性、功能類別和震害預測進行調整。進一步地，工程需參照《工程結構可靠度設計統一標準》（GB 50153―2008），確保結構在規定的使用年限內，在正常使用條件和罕遇地震作用下不發生破壞。此外，根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010―2010）（2015年版），鋼筋混凝土結構須用足夠的延性設計，以確保在強震作用下能通過塑性變形耗散能量，避免脆性破壞。每項規范都提供了一個設計的基線，但在實際應用中，設計團隊還應考慮結合當地的具體地質、氣候條件和施工現場的實際情況，進行必要調整和優化[1]。

2.2 安全性與功能性原則

在建筑結構抗震設計中，安全性與功能性是2 個基本且關鍵的原則。安全性原則要求建筑在地震作用下，首先要保證人員生命安全不受威脅。這意味著結構在地震中必須保持整體穩定，不發生垮塌[2]。為此，設計師采用了如下設計策略：第1，增加結構的冗余性，如在關鍵支撐部位安裝多根支柱；第2，使用超出最低標準的材料和構件，提高抗震能力；第3，引入耗能結構系統，如隔震支座和粘滯阻尼器，有效降低地震能量傳遞。功能性原則指建筑在地震后，除了保證不垮塌外，還必須保持關鍵功能的運作，尤其是醫院這類公共安全建筑。對此，結構不僅要具備足夠的強度和延性，還要有合理的剛度分布和良好的動力特性，以控制結構的位移和加速度響應。

2.3 經濟性與可操作性原則

抗震設計還必須考慮經濟性與可操作性原則。經濟性原則要求在滿足安全性與功能性的前提下，盡可能降低構建和維護的成本。這要求設計師在材料選擇、結構系統和施工方法上進行權衡[3]。盡管高強度材料可能提供更好的抗震性能，但其成本也相對較高，因此需要評估不同材料的性價比，找到更加經濟的方案。可操作性原則強調的是設計的可施工性和后期的可維護性。

3 建筑結構抗震設計要點分析

3.1 結構布局與配置

抗震設計的核心在于確保建筑在地震作用下的穩定性和安全性。結構布局在此起著至關重要的作用。在平面布局方面，建筑的形狀和對稱性對其抗震性能有顯著影響[4]。為了優化結構的抗震性能，設計應盡量保持建筑的平面形狀簡單且接近對稱，以減少地震作用下的扭轉效應。例如，平面布局宜采用矩形或近似正方形，并盡量避免復雜的幾何形狀。

考慮工程所在地區的地震特性，建筑平面的抗震設計可遵循以下原則：第1，建筑的剛心與質心應盡可能重合，以減少地震引起的扭轉效應；第2，建筑的水平剛度和質量分布應均勻，以避免在地震作用下產生較大的剛度不連續和質量不連續。

3.2 材料選擇與構件設計

3.2.1 抗震性能優良的材料選擇

抗震性能優良的結構材料需具備良好的延性、強度和韌性。高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）以及高強度鋼材是典型的選擇。HPC 具有較高的初始剛度和優異的能量耗散能力，其抗壓強度可達到60 MPa 以上，相較于常規混凝土（25 ～40 MPa）具有顯著優勢[5]。HPC 中通常含有粉煤灰或硅灰等礦物摻合料，能提高混凝土的密實性和持久性，減少微裂縫的發生與發展率。對于鋼材，高強度鋼材（如Q345B，屈服強度為345 MPa）因其卓越的塑性變形能力和較高的屈服強度而被廣泛應用于抗震構件。相較普通碳鋼（如Q235，屈服強度為235 MPa），高強度鋼材能承受更大的應力而不發生斷裂，從而在地震作用下為結構提供更多的安全儲備。耐震設計中，也常采用鋼筋混凝土組合結構，其中鋼筋的屈服強度不低于400 MPa，混凝土與鋼筋的配合使用進一步增強了構件的整體性能，使之在受到震動時，即使混凝土開裂，鋼筋也能繼續承擔拉力，保障結構的完整性。

3.2.2 構件的抗震細節設計

在構件的抗震細節設計中，關鍵在于確保構件可通過塑性變形耗散地震能量，避免脆性破壞。如柱子的箍筋設計是增強抗震性能的重要方面。規范的箍筋配置要求：箍筋間距通常不超過柱子最小尺寸的12 倍，并且箍筋直徑不小于6 mm[6]。在梁柱節點區，箍筋間距應縮減至箍筋直徑的4 ～6倍，提升節點區的延性和整體承載能力。梁的設計中同樣重視抗震細節，如梁的縱向鋼筋應有充分的錨固長度以防止鋼筋滑移。梁的抗彎承載力設計要求梁縱向鋼筋的面積和強度能承受預期的最大彎矩。對于實際數據，考慮到常用的梁設計，如果采用直徑為20 mm 的HRB400 級鋼筋，梁的有效深度為450 mm，則4 根鋼筋的總面積將是1256 mm2。梁端的箍筋間距可能會從通常不超300 mm 減至100 mm或更小，以增加塑性鉸區的延性和承載能力。此外，為了增加結構的整體抗震性能，構件連接處如梁與柱的連接，會采取額外的加固措施，如使用更多的箍筋、加強筋或者預制構件連接技術。這些措施能夠確保在強烈地震影響下，結構能保持完整，避免局部或整體崩塌。因此，構件的抗震細節設計是一個涉及面積、直徑、間距和錨固長度等多個參數的過程，這些參數共同確定了構件的抗震性能。通過精確控制這些細節，可以顯著提高結構的抗震能力，確保其在地震發生時的安全性。

4 建筑結構抗震關鍵技術處理分析

4.1 能量耗散機制與增防系統

4.1.1 能量耗散裝置的應用

能量耗散裝置在減少建筑結構受地震影響時的破壞，發揮著關鍵作用。這些裝置可以減少入射地震波的能量，從而保護主結構不受損害。金屬阻尼器，如鋼板剪切墻和粘滯阻尼器，已在多個高層建筑中應用，并成功減少了結構響應的幅度。數據表明，使用金屬阻尼器可以降低結構響應高達30%。黏滯阻尼器則根據其設計規格，能夠提供不同等級的能量耗散，其中一些高性能黏滯阻尼器在大型結構測試中顯示出能耗散超過50%的入射地震能量。

摩擦擺系統也作為一種能量耗散裝置，被廣泛用于橋梁和高層建筑中，實際案例顯示，摩擦擺系統能有效減少樓層加速度，提高結構的安全性。為此，在建筑結構抗震技術操作中，需要重點關注能量耗散裝置的應用，由此強化建筑結構的抗震性能，深入優化建筑工程建設效果。

4.1.2 隔震與減震技術的整合

隔震技術與減震技術的結合為抗震設計提供了一種綜合防護策略。隔震系統通過在建筑物與其基礎之間安裝隔震支座，如高阻尼橡膠支座或滑動支座，實現地震能量的隔離。實踐證明，這種技術可有效將地震能量轉移到建筑物的基礎之上，從而減少建筑主體的加速度和位移響應。如在采用隔震技術的建筑物中，地震引起的位移可降至70%，顯著提高了建筑物的安全性和功能性。減振技術，如調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD），通過在結構中安裝質量塊吸收并減少振動，能進一步降低結構的動態響應。TMD 被證明能減少結構響應20%～30%，特別是在控制高層建筑的頂部擺動方面。將隔震與減震技術相結合，可利用隔震系統提供的初始防護和減震系統在高頻地震活動下的額外保護，實現對建筑物的全面保護。

4.2 結構連接與節點設計

4.2.1 抗震節點的詳細設計

抗震節點的詳細設計對于提升結構抗震性能至關重要。節點通常指的是梁與柱、柱與基礎、梁與梁交接的部分，它們必須能承受在地震作用下產生的力量和變形。具體而言，梁柱節點需設計為能在不同加載條件下維持其完整性，并保持足夠的延性。數據表明，抗震節點設計可以通過增加梁端箍筋的密度，將節點的延性提高至少25%。此外，避免過度的節點剪切力也是設計中考慮的一部分，因此在節點區可能采用的箍筋間距不會超過100 mm。

4.2.2 連接件的選擇與布置

鋼結構的連接和節點設計是確保整個建筑物在地震力作用下能安全運行的關鍵。重點應放在以下方面：

1）強度與延性。連接件和節點必須具備足夠的強度來承受計算出的地震力，也要有良好的延性，以便在地震作用下能夠發生塑性變形，從而吸收和耗散地震能量，避免脆性破壞。

2）連接件的選型。應選擇適當的連接件，如高強度螺栓和焊接接頭，這些連接件能夠承受重復的載荷反轉。對于焊接，需要確保焊縫足夠韌性，并通過適當的檢測確保焊接質量。高強度螺栓連接應考慮預緊力的控制和長期使用中的疲勞問題。

3）節點的配置。節點配置應優化以確保力的均勻傳遞，避免應力集中。這可能包括使用加勁肋或板，以及確保節點區域有足夠的剛度和強度。

4）預應力設計要素。在某些結構中，可能會應用預應力技術來減少因地震造成的永久變形。預應力能夠提供額外的壓縮力，有助于抵抗地震造成的拉伸力，提高結構的整體性能。

5）細部設計。連接和節點的細部設計需要符合當前的抗震規范和標準。如可能需要考慮節點的過盈配合、鋼板厚度、螺栓間距和排列等因素。

5 結語

建筑結構的抗震設計是一項系統工程，需要在遵循國家標準和規范的基礎上，綜合考慮結構的安全性、功能性和經濟性。通過對工程概況的深入理解，結合地震帶特性、建筑類型和功能需求，可以實現更精細化的抗震設計。

本文從設計原則、設計要點到關鍵技術處理等多個維度進行了探討，旨在提升建筑結構的抗震性能。設計中的每一個環節都不容忽視，從結構布局與配置到材料選擇，再到構件設計與動力特性，每個要素都對構筑抗震安全屏障至關重要。同時，對于能量耗散機制、結構連接與節點設計等關鍵技術，也必須進行精確分析與實施。總之，通過全面而深入地分析和設計，可以有效提高建筑在面對地震挑戰時的安全性，為保護人們的生命財產安全提供了堅實的基礎。