建筑結構抗震設計的技術要點探析

王 昊

浙江綠建建筑設計有限公司 浙江 溫州 325000

地震災害導致的死亡人數十分驚人，幾乎占到了全球死亡人數的二分之一，地震災難不僅造成了經濟上的巨大損失，更給人民群眾造成了無法挽回的精神上的創傷。在過去的很長一段時間里，建筑設計和施工的側重點都集中在了高層建筑結構的抗震設計上。要使工程的建設能夠切實地減少或者避免地震造成的破壞，關鍵是要把好的抗震設計以及隔振技術把握好。因此，相關工作人員必須深入了解建筑結構抗震設計以及隔振技術的關鍵問題，并有相應的應對策略。

1 建筑結構抗震設計要點

1.1 場地選擇

建筑結構抗震設計要點中，最基礎的就是對建筑場地進行選擇?！督ㄖ拐鹪O計規范》作為強條明確指出：選擇建筑場地時，應根據工程需要和地震活動情況、工程地質和地震地質的有關資料，對抗震有利、一般、不利和危險地段做出綜合評價、對不利地段、應提出避開要求；當無法避開時應采用有效的措施。對危險地段，嚴禁建造甲、乙類的建筑，不應建造丙類的建筑。房屋建筑是人們工作、學習和生活的場所，而在城鎮化的過程中，房屋建筑中的人和物也越來越多，這也使得房屋建筑在強震中的損失也越來越大[1]。我國的地震種類繁多，如何提高房屋結構的抗震性能，是一個迫切需要解決的問題。當地震來臨時，建筑的主要結構將受到很大的破壞。在地震發生時，產生的地殼移動會對建筑物造成直接的破壞。因此，要想采取有效的防震對策，就必須對建筑物的位置進行慎重地選取。對建筑物所處位置的選取，宜選用抗震能力比較強的地質環境。比如，在地震中，開闊的土地非常便于人們避難。再比如，堅固的土地在地震時，只會產生比較輕微的沉陷，從而降低了建筑物倒塌的概率。在較硬的土質地區，被蓋層較薄，建筑物所受到的地震影響較小，反之則較大[2]。因此，要避免在地質疏松或液化現象明顯的河岸、山坡地帶的邊緣地區建造房屋。因為一旦發生地震，在地質現象的作用下，房屋會迅速下沉，很可能導致房屋倒塌。如果不能避開，就必須對建筑物自身強化抗震設計。

1.2 地基設計

建筑結構抗震設計要點中，最關鍵的就是對建筑地基進行設計。近年來頻繁發生的地震事件，使得人們對建筑物的抗震性能提出了更高的要求，高抗震性能的建筑物將成為未來建筑市場的主流。建筑結構的抗震設計方法之一就是對地基進行設計[3]。為保證建筑結構的整體剛性，提高建筑的抗震性能，在建筑基礎設計時，盡量避免同一單元的建筑不得建立在兩種不同的地基之上，且埋設深度應滿足承載力、變形和穩定性要求，《地基基礎技術設計規范》明確表示：在抗震設防區，除巖石地基外，天然地基上的箱型和筏形基礎其埋置深度不宜小于建筑高度的1/15，樁箱或樁筏基礎的埋深（不計樁長）不宜小于建筑物高度的1/18，如果埋置深度太淺，則會降低建筑結構的嵌固作用，在地震時，建筑結構振動幅度很大，極易滑移倒塌。因此，在進行建筑物基礎設計時，應滿足規范要求前提下盡量增加埋置深度，以增強建筑物地基的穩定性。

1.3 抗震結構設計

建筑結構抗震設計中，主要分兩個方向進行設計，第一是嚴格按照國家標準《建筑抗震設計規范》的要求，對建筑的抗震進行設計，通過結構布局和體系合理，傳力途徑明確，薄弱部位加強，同時設計中考慮“強剪弱彎，墻柱弱梁”的原則使其達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的效果。第二就是采用隔振設計，隨著《建筑隔震設計標準》從2121年9月1日執行，國家也逐漸注重建筑的隔震設計，目前也越來越多的建筑開始采用隔振設計，特別是一些抗震設防等級高的建筑，比如云南省的青少年科技中心，安陽市腫瘤醫院新院區等等均采用隔振設計[4]。當然隔振技術也不是最近才采用，自古以來，就被廣泛應用，且效果顯著，例如：山西渾源懸空寺建于北魏后期（公元500年)，整個建筑物的一面“懸支”在翠屏峰的半山陡壁上、下臨深谷，而建筑物的另一面則支承在斜撐立柱上，可以形成水平晃動、整個建筑物尤如一個“隔震結構”。1000多年來經歷數次大地震，始終完好無損[5]。

1.4 布局設計

建筑結構抗震設計要點中，最重要的就是對建筑布局進行設計。在《建筑抗震設計規范》中也明確指出建筑物的規則性和結構體系的優越性。隨著社會發展和人類的進步，人們對審美的要求也逐漸的變化，各種奇形怪狀的建筑形式也雨后春筍版的出現，對抗震的影響極其不利，造價也極高。因此，在建筑結構抗震設計中，首先要對建筑布局進行設計，既要保證建筑的美觀和舒適性，又能形成完整的優越的結構體系，才能降低地震對建筑物的破壞[6]。世界上很多完美的建筑，都是既美觀，又采用合理的受力體力，比如美國紐約的地標之一“美國世茂大廈”：世貿大廈中心雙塔采用創新的鋼框架套筒結構體系設計，通過水平樓層桁架將外圍支撐結構與中央核心結構連接在一起，這種設計讓建筑具有非凡的抗震和抗風能力；再比如北京CBD核心區Z15地塊中國尊大樓，為滿足結構抗震與抗風的技術要求，中國尊在結構上采用含有巨型柱、巨型斜撐及轉換桁架的外框筒，以及含有組合鋼板剪力墻的核心筒，形成內筒和外筒的雙重抗側力體系，可做到小震不壞、中震可修、大震不倒的完美效果[7]。

2 建筑結構抗震設計

2.1 防震縫設計

防震縫在建筑結構抗震設計中發揮著關鍵的作用。《建筑抗震設計規范》也明確指出體型復雜，平立面不規則的建筑，應根據不規則程度、地基基礎條件和技術經濟等因素的分析，確定考慮設置抗震縫。因此當建筑物的結構不太合理時，應在適當的地方設置防震縫[8]。在設置防震縫時，應將房屋建筑劃分為彼此獨立的單元結構，并在防震縫兩側預留一定的空間，防震縫的上部結構應充分分開。目前，我國在進行高層建筑的抗震設計時，一般都是采用了延性構造，即通過對建筑物的剛度進行適當地調節，使得在發生地震時，該建筑物將處于一種較大的塑性狀態。在對建筑結構進行抗震設計時，應盡可能地減少地震作用，當建筑物的剛度比較小、結構不太合理時，就應設置防震縫，使得建筑物可以提高抗震能力。在發生地震時，能量就獲得了消耗，減少了建筑物在地震下遭到的破壞，進而保證了建筑物的安全。另外，隨著我國科技水平的不斷提高，在當前的高層建筑抗震研究工作中，采用了耗能減震裝置，使建筑物具有較好的抗震性能，從而達到降低地震災害的目的。此外，在對防震縫進行設計時，應充分考慮建筑物之間的相互影響，例如地震波的傳播方向、地震波的速度等。與此同時，還應對抗震設計的整體結構進行認真地分析與研究，從而確保建筑物的安全。

2.2 抗震墻設計

抗震墻設計是建筑物抗震結構設計中（特別是高層建筑）的重要部分。在高層建筑的體系中，抗震墻在框架抗震墻結構、抗震墻結構、筒體結構、板柱-抗震墻結構等等各種體系中都扮演者無與倫比的責任。在地震中，房屋倒塌的主要原因就是抗震墻出現了破壞。所以，在進行建筑結構抗震設計時，應合理規劃抗震墻的布置。在抗震設計中，我們首先要根絕建筑物的類別，進行結構體型的選擇，比如高層辦公或酒店以大空間為準，可采用筒體或者框架抗震墻結構，高層住宅以使用功能為中心，采用剪力墻或者筒體結構，好的結構體系是抗震設防的第一步；接著就是依據建筑平面對結構進行抗震墻的布置，布置原則可根據《建筑抗震設計規范》中設計要求，比如樓梯間和電梯間已設置抗震墻、抗震墻結構四個角度宜設置抗震墻、抗震墻宜貫通全屋高度、抗震墻洞口宜上下對齊和房間過長時，剛度較大的縱向抗震墻不宜設置在房屋的端開間等等。在建筑結構中，要想降低建筑物的地震破壞程度，就必須使建筑物的橫向抗震墻均勻分布于建筑物的整個平面上。具體來說，就是要對建筑的橫向抗震墻進行合理的布置。為了使建筑結構在地震中更好地承受地震力，同時也為了避免由于橫向抗震墻剛度過大而導致房屋發生倒塌，在設計過程中還必須要對建筑物的縱向抗震墻進行合理的布置。這樣才能有效地降低房屋在地震中的破壞程度。在對建筑結構進行設計規劃的同時，還要做到水平墻面和縱向墻面的均勻分布，共同承擔整個建筑的重量[9]。要想做到這一點，就必須加強對建筑結構的抗震計算，計算時需要結合建筑結構的實際情況，科學、合理地進行墻體的布置，這樣才能有效地降低地震對建筑結構造成的破壞。綜上所述，為了使建筑物抗震設計更加合理，在進行抗震設計時應注意以下幾點：首先，要確定建筑物的結構形式，以及根據建筑的使用功能對建筑物進行設防類別的分類，然后再根據不同類別的建筑物采取不同的抗震等級和制定不同的抗震措施；其次，要根據建筑結構形式制定合理的抗震墻設計方案，通過模型計算，得出最優的抗震墻設計方案；最后，在進行抗震設計時要嚴格按照抗震規范要求進行設計，避免由于設計不當而造成嚴重后果。只有這樣才能有效地降低地震對建筑結構造成的破壞程度。

2.3 屋頂抗震

在建筑結構抗震設計中，很容易忽略的一點就是屋頂抗震?！督ㄖ拐鹪O計規范》明確指出附著于屋頂結構的非結構構件，應與主體結構有可靠的連接和錨固，避免地震時倒塌傷人或砸壞水箱、消防水管、風機等重要設備。在現代，許多建筑物為了追求美觀，在屋頂進行了美化裝修，然而這存在著很大的安全隱患。首先，這對消防安全造成了一定的威脅，其次，它使得房屋的抗震性能大大降低。建筑物的構造質量越輕，其結構的穩定性愈好，在地震作用下所遭受的破壞越少，因而其安全程度也越高。因此，要想降低建筑物在地震中的破壞程度，必須使建筑物的各個構件都減輕一些重量。要達到減輕建筑物各個構件的重量的目的，最重要的就是減輕墻體和屋頂的重量。當墻體自身的重量較大時，房屋的抗震能力將大大下降，當地震來臨時，墻體會給建筑帶來較大的破壞。因此，在設計時應當對墻體的結構材料作出明確的說明。在屋頂的施工中，要盡量降低屋頂的高度，提高屋頂的堅固程度，并采用質量較輕的材料進行施工。也就是說，在設計和建造屋頂的時候，要選用質量較輕的材料，而且要盡可能避免在屋頂之上添加其他結構，因為這樣會加大房頂的高度和重量，導致建筑物的高寬比的比例變大，從而對建筑的抗震性能產生不利的影響。

2.4 抗震結構選擇

在建筑物結構的設計初期，必須按照《建筑抗震設防分類標準》和《建筑抗震設計規范》進行建筑物結構的抗震設計。在進行抗震設計時，既要考慮到建筑物所受的地震影響，又要減少建筑物對周邊環境的破壞。建筑物的主要材料是鋼筋混凝土，而地下室則采用嵌固的技術，這樣就可以大大提高建筑物的抗震性能。在建筑物抗震結構設計中，抗震設計的均衡性是提高建筑物抗震作用的一個重要方面。要做到剛度和質量的均衡分配，使整個建筑物無論在平面上或各個立面上都有一種規則的感覺。當建筑物的構造比較復雜時，會產生一種質量分布不均勻的情況，當地震來臨時，可能會引起建筑物的主體結構變形，從而加劇了建筑物的破壞。而當建筑物結構形狀不規則、結構形式比較復雜時，在地震作用下，結構更易產生扭轉，從而降低建筑物結構的抗震能力。若建筑物的主要部分不位于同一豎直平面內，則很可能在地震時產生鞭梢效應，對建筑物的抗震不利。在復雜的自然環境條件下，地震所引起的環境變化也是導致建筑結構受到多個應力作用的重要原因。因此，在進行建筑物的抗震設計時，應注重建筑物結構的整體平衡，并對建筑物結構進行合理地分配，以降低建筑物受到的多個應力作用的影響。在地震作用下，不僅存在著地質活動造成的破壞，而且還存在著空氣沖擊和結構載荷等多種因素的影響，這些因素對建筑工程的影響是一個復雜的問題。因此建筑物的抗震設計必須要考慮到地震所引發的其他方面的影響，保證建筑物主體結構的強度能夠達到建筑標準的要求，確保建筑物的主體能夠處于安全的環境之中。

3 結束語

綜上所述，近年來，隨著大震不斷發生，中小震發生頻率增加，使得建筑結構的抗震性設計受到了廣泛的關注。目前，對建筑物的抗震技術、隔震性能和地震現象的研究，已經成為了建筑設計中的一個關鍵問題。設計人員、施工人員及其他關鍵技術人員，應在具體的建筑施工中，因嚴格按照相應的抗震規范和圖集，對不同的建筑抗震措施進行探討與實踐，從而提高建筑物的抗震性能，保障人民的生命財產安全，推動國家建筑事業的迅速發展。