建筑结构的抗震概念设计

刘 秦 王 涛

1 黄河科技学院（450063） 2 郑州大学综合设计研究院有限公司（450002）

0 概述

地震是一种自然现象，由于地震动具有明显的不确定性和复杂性,人们对地震规律的认识不足，所以，破坏性地震对人类而言是一种巨大的自然灾害。为了减轻地震灾害，有必要进行建筑工程结构的抗震设计。历次震害经验表明，建筑的抗震设计仍依赖于设计人员的抗震设计理念，抗震概念设计比计算设计更为重要。抗震概念设计，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，对建筑结构进行总体布置和确定细部构造，从而合理地进行建筑结构的抗震设计，减轻震害。

1 建筑结构的抗震概念设计

1.1 选择有利抗震的场地

除地震直接引起的结构破坏外，由地震引起的地表错动、地裂、地基土的不均匀沉陷、滑坡及粉土的液化等场地条件的原因也会造成建筑破坏，大量的震害证实，建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物有显著影响。因而抗震概念设计的首要要求就是选择有利抗震的场地,避开不利地段，不在危险地段进行工程建设。当确实需要在不利或危险场地进行工程建设时，需结合地震活动和工程地质资料进行综合评价,并采取必要的抗震措施。地基设计应符合下列要求∶

1）同一结构单元的基础不宜设在性质截然不同的地基上；同一结构单元的基础不宜部分采用天然地基及部分采用桩基；当采用不同基础类型或基础埋深显著不同时,应根据地震时两部分的差异，在基础及上部结构相关部位采取相应措施，如在高层建筑主楼和群房不分缝的情况下，需要仔细分析不同地基在地震下变形差异及上部结构各部分地震反应差异再采取相应措施。

2）山区建筑场地勘察应有边坡稳定性评价和防治方案建议，因地制宜地设置边坡工程；边坡设计应符合规范要求,有关摩擦角应按设防烈度修正；山区建筑距边坡边缘应留有足够的距离。

1.2 抗震建筑形体规则性

考虑抗震性能对结构经济合理性的影响，结构布置原则宜满足∶平立面布置规则对称，侧向刚度沿竖向宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小,避免侧向刚度突变。结构刚度如存在突然削弱的薄弱层，则会在地震中引起变形集中，如结构顶部刚度较小时会出现“鞭梢效应”。合理的建筑形体和布置在抗震设计中尤为重要，因为简单对称的结构地震时不易损坏，而且容易估计结构地震时的反应，易于采取抗震构造措施。对于体形复杂、平立面不规则的建筑，可采用符合实际的计算模型分析，或在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元，避免地震破坏产生严重后果[1]。

1.3 综合考虑结构体系

结构体系应综合考虑建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素来确定。

首先，抗震结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，这对提高结构的抗震性能十分有利，是结构选型和布置构件抗侧力体系的首要考虑因素。其次，应避免因部分结构或构件损坏而导致整个结构丧失抗震能力及对重力荷载的承载能力。再次，应具备必要的抗震承载力。良好的变形能力和消耗地震能量的能力，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。最后，尚需注意多道防线和抗震薄弱部位塑性变形集中，结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，如强柱弱梁型框架结构或双肢剪力墙加连梁结构，存在两道抗震防线，一是梁出现塑性铰，二是柱根或剪力墙底部发生损坏，这两道防线之间结构的弹塑性变形可消耗大量地震能量，可以通过采用超静定结构、设置人工塑性铰或设置耗能元件来实现多道防线。还可以通过一些构造措施和耗能手段来增强结构构件的延性，以结构一定塑性变形消耗地震能量，如混凝土结构设计中的“强剪弱弯，强节点弱构件”，砌体结构设计采用圈梁构造柱体系、墙体配筋等措施[2]。

1.4 重视非结构构件

建筑结构非结构构件在地震中的损坏允许大于结构构件，但非结构构件的地震损坏会影响结构安全和使用功能，应引起重视。

建筑结构非结构构件包括∶

1）附属结构构件，如女儿墙、高低跨封墙、雨棚等，应加强其自身的整体性,并与结构构件有可靠的连接,锚固。

2）装饰构件，如贴面、顶棚、幕墙等，应与结构构件有可靠的连接,避免脱落伤人。

3）围护墙和隔墙。通常结构分析中非结构墙体常被略去,但在实际地震中对结构的抗震却产生重要的影响。非结构墙体能缩短结构自振周期，改变结构的刚度分布，从而改变地震效应在结构中的分配。非结构墙体与主体结构的连接可分为柔性连接和刚性连接，柔性连接在布置上要避免与主体结构共同工作，如砌体填充墙与框架柱的连接宜采用柔性连接或彼此脱开，计算时只考虑质量，不考虑其强度和刚度的影响，构造上能保证其在水平方向自由变形，但要防止平面外倒塌。框架结构的围护墙和隔墙应视为刚性连接，要分担地震作用，计算时要考虑其质量、刚度和强度，在构造上要与主体结构紧密结合。处理好非结构构件和主体构件的关系，可防止附加灾害[3]。

2 结语

建筑结构的抗震概念设计应贯穿于建筑方案的确定到结构布置的整个过程中，只有建筑师和结构师良好地配合,才能设计出抗震性能良好的建筑。抗震设计往往需要进行复杂的计算分析，计算机辅助设计系统的采用则提高了抗震分析计算能力,但计算软件的应用如计算模型的建立、设计参数、建筑材料、荷载的合理取值需要依赖设计人员的技术水平和设计经验，而地震存在很大程度上的不确定性，所以建筑结构的抗震不能仅靠计算解决，抗震概念设计比计算设计更为重要。

合理的抗震概念设计对结构抗震性能具有重要意义，只有对建筑场地、建筑形体、结构体系、非结构构件及连接等方面合理的选型与布置，优化结构设计，为结构计算创造有利条件，才能有效控制建筑结构在地震作用下的薄弱环节，达到合理抗震设计的目的。

[1]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[2]GB 50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].

[3]李国强.建筑抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[4]李展开.浅谈对建筑结构抗震概念设计的理解[J].山西建筑,2009.

[5]王亚勇.汶川地震建筑灾害启示—抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008.