浅谈建筑结构抗震的概念设计

卢俊涛

摘要：建筑结构抗震设计中的概念设计是对建筑抗震设计的宏观控制，相对于低层建筑而言，高层建筑破坏和倒塌的后果就更加严重。为保证高层结构的抗震安全，达到安全和经济的统一，有必要对高层结构的抗震设计、抗震结构和抗震技术进行探讨。

关键词；建筑结构 抗震概念

中图分类号：TS958文献标识码： A

一、关于建筑结构抗震概念设计的概述

我国结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算，到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。地震具有随机性、不确定性和复杂性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前是很难做到的。而建筑物本身又是一个庞大复杂的系统，在遭受地震作用后其破坏机理和破坏过程十分复杂。且在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在着不确定性。因此，结构工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决。应立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念，从“概念设计”的角度着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节构造，从根本上提高结构的抗震能力。

二、地震导致建筑破坏的原因

1.根据地震经验，地震期间导致高层建筑破坏的直接原因可分为以下三种情况：

（1）地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂缝或错位等地面变形，对其上部建筑的直接危害；

（2）地震引起的砂土液化、软土震陷等地基失效，对上面建筑物所造成的破坏；

（3）建筑物在地面运动激发下产生剧烈震动过程中，因结构强度不足、过大变形、连接破坏、构件失稳或整体倾覆而破坏；

2.建筑的抗震概念设计

所谓“建筑抗震概念设计”是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,依此进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。

3.建筑抗震设计方法的发展过程

（1）静力理论阶段

水平静力抗震理论始创于意大利，发展于日本，该理论认为：结构物所收到的地震作用，可以简化为作用于结构的等效水平静力，其大小等于结构重力荷载乘以一个系数。

（2）反应谱理论阶段

我国及国际上多数国家抗震设计规范本质上都采用了反应谱理论及结构能力设计原则。用规范规定的设计反应谱进行结构线弹性分析。 在早期方案设计阶段，结构体系、结构体型的规则性及结构的整体性满足规范的规定，以使结构能可靠地发挥非弹性延性变形能力。

（3）动力理论阶段

应谱理论只说出了问题的一大半，而地震持时对结构破坏程度的重要影响没有得到考虑”，从而推动了采用地震加速度过程来计算结构反应过程的动力法的研究。此一新理论不但考虑了地震的持时，还更近一步地考虑了地震过程中反应谱所不能概括的其他特性。

4. 高层建筑结构体系

设计地震区的高层建筑，在确定结构体系时，除了要考虑前面所提到的材料用量、建筑内部空间和使用的房屋高度等因素外，还需具有明确的计算简图和合理的地震力传递路线，具备多道抗震防线，不会因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抵抗侧力或承受重力荷载的能力，具有必要的承载力、良好的延性和较多的耗能潜力，从而使结构体系遭遇地震时有足够的防倒塌潜力；在确定建筑方案的同时，应综合考虑房屋的重要性、设防烈度、场地条件、房屋高度、地基基础以及材料供应和施工条件，并结合体系的经济、技术指标，选择最合适的结构体系。

三、采取基础隔震措施

1.传统的抗震方法是依靠结构的承载力和变形能力，来耗散地震能量，使结构免于倒塌，但由于是一种“被动防震”，就不免存在许多不足之处。地震对建筑的破坏作用，是由于地面运动激发起建筑的强烈振动所造成的，也就是说，破坏能量来自地面，通过基础向上部结构传递。人们总结地震经验后发现，地震时结构底部的有限滑动，能大幅度地减轻上部结构的破坏程度。科技论文。基于可动概念的基础隔震方案很多，主要有：（1）软垫式隔震。在房屋底部设置若干个带铅芯的钢板橡胶隔振装置，使整个房屋坐落在软垫层上，遭遇地震时，楼房底面与地面之间产生相对水平位移，房屋自振周期加长，主要变形都发生在软垫块处，上部结构层间侧移变得很小，从而保护结构免遭破坏。（2）滑移式隔震。在房屋基础底面处设置钢珠、钢球、石墨、砂粒等材料形成的滑移层或滚动层，使建筑物遇地震时在该处发生较大位移的滑动，达到隔震目的。（3）摆动式隔震。科技论文。摆动式隔震方式实质上是柔性底层概念的改进和引伸。（4）悬吊式隔震。这一隔震方式的构思是，将整个建筑悬吊在支架下面，避免地震的直接冲击，从而大幅度较小建筑物所受到的地震惯力。

2. “基础隔震”优化设计

当前，随着高层建筑和超高层建筑的不断出现，对于地震时建筑物的抗震性能也提出了更高的要求。对于这类高层或超高层建筑的抗震性能，我国2010年出台的《建筑抗震设计规范》要求这类建筑物抗震性能必须达到“小震不影响使用，中震不需要修理，大震没有人员死伤”的防震要求。美国和日本等国对建筑物的抗震设计规范也做有相似的规定。要使建筑物达到规范要求，做好“基础隔震”优化设计被认为是当前最为成熟的设计理论。

“基础隔震”指的是在建筑物底部与地基之间，通过增加适当“叠层橡胶支座；滚动、滑动支座，包括砂垫层、石墨垫层”等缓冲物，从而减弱地震时建筑物受到的地震波的冲击，同时由隔震系统提供建筑物的位移，使得“底层位移，上层不动”。因此，在地震过程中，采用”基础隔震“的建筑物整体变形非常小，可以起到有效地保护作用。目前，这一结构设计在我国、美国、日本的建筑物抗震设计中都得到有大量的应用。

四、其他抗震优化设计

1.屋顶建筑不宜过高过重，保证屋顶重心与下部建筑重心在一条直线上。顶层材料采用高强轻质、刚度分布均匀的建筑材料。

2. 提高结构阻尼

为高层建筑提供附加阻尼的另一新途径，是利用主体结构与刚性挂板之间特殊装置的非弹性性能和摩擦。采取这一措施后，可以使阻尼比仅为2%的抗弯钢框架，有效粘滞阻尼比增加到8%或更多，从而使底部地震剪力和顶点侧移降低50%。此外，通过采用高延性构件和附设耗能装置也能有效削减地震反应。

五、小结

建筑抗震优化设计是建筑方案设计时必须要考虑的一个重要组成部分。相信随着建筑力学和材料科学的不断发展，将会有更多的新技术来优化我们当前的抗震设计思想，将会有更多的新材料被应用到建筑物的抗震设计中，以使我们未来的建筑物更加坚固，更加“优化”，从而保障所有的人民能够在地震灾害突然到来的时候生命安全不会受到威胁。

参考文献

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