结构抗震概念设计漫谈

马俊祥

（南通中房建筑设计研究院有限公司，江苏 南通 226001）

结构抗震概念设计漫谈

马俊祥

（南通中房建筑设计研究院有限公司，江苏 南通 226001）

本文根据地震作用的特点，阐述了结构抗震设计中“概念设计”的重要性，并结合工作实际提出了“概念设计”的基本原则和具体要求，为工程设计人员在今后的设计工作中提供思路。

建筑结构；抗震；概念设计

地震是一种破坏作用极大的自然灾害，常常造成巨大的人员伤亡和财产损失。我国是一个地震多发且灾情严重的国家，如何提高建筑物的抗震设计水平是当前需要面对并努力解决的重要课题。

一、结构抗震概念设计的提出原因及必要性

每栋建筑物都是一个空间结构体，在荷载作用下各构件并非是以脱离体系的单一构件独自工作，而是以相当复杂的方式共同工作，精确计算其作用和受力是相当困难的，在计算地震作用时尤其如此，由于地震作用下的结构构件受力状态的复杂性及不确定性、人们对地震时结构响应认识的局限性和模糊性、理论计算中的假定与实际情况的差异性，注定了在现阶段无论计算工具再如何发展，计算过程再如何严格，其结果也只能是一种比较粗略的估计，甚至有时还根本无法计算。显然在结构设计中，仅依靠现有理论进行抗震计算往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，无法达到预期的设计目标。因此在不确定因素众多，受力状况复杂的结构抗震设计中，抗震概念设计的提出和应用就显得尤为重要了。

二、结构抗震概念设计的涵义

所谓抗震概念设计，一般是指不经过计算，尤其在难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分结构体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、实验现象和工程经验中所获得的基本设计原则和设计思想，从总体的角度来进行建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制，从而从根本上保证结构的抗震性能。

三、结构抗震概念设计的基本原则和具体要求

（一）建筑场地的选择

地震造成建筑的破坏，除地震动直接引起结构破坏以外，还有场地条件的原因，诸如：地震引起的地表错动与地裂，地基土的不均匀沉陷、滑坡和土体液化等。因此选择有利于抗震的建筑场地是减轻建筑物地震灾害的第一道重要工序。

（二）建筑物的平面、立面及竖向剖面的布置

建筑物平面和立面的规则性是抗震概念设计中需要考虑的一个重要因素。规则的建筑方案体现在：建筑物的平面布置基本对称；结构体型简单；抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续、均匀。因为，简单、对称的结构容易估算其在地震时的反应，容易有针对性的采取抗震措施并对其进行细部处理。因此，这就要求建筑专业的设计人员具有一定的抗震知识素养，应该对所设计的建筑的抗震性能有所估计，避免采用抗震性能差的严重不规则的设计方案。

（三）结构体系的确定和结构布置

结构体系的确定是结构设计中头等重要的大事。结构设计时应通过综合分析使结构体系尽量合理且经济，应优先采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工且具有多道防线的结构体系（如框架-剪力墙结构，框架-筒体结构，设置耗能连梁的剪力墙结构等），避免采用抗震能力较低的结构体系（如板柱-剪力墙结构，单跨框架结构等），尤其应避免采用看似“合法”（符合规范）但不合理的结构体系（如当房屋高度接近规范框架结构类适用高度上限时，仍采用框架结构，震害表明，框架结构的侧向刚度较小，整体性较差，结构的抗震性能较差，此情况下应采用抗震性能较好的框架-剪力墙结构为宜）。而在结构布置时，应采用概念清晰、传力途径明确的布置方式，尽量避免造成结构扭转、平面和立面的里出外进、竖向传力杆件的间断与不连续等问题。

（四）多道抗震防线的设置

单一结构体系只有一道抗震防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌的严重后果。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。而如果建筑物采用的是多重抗侧力体系时，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏后，第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替工作，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，避免再度严重破坏。

在双重结构体系中一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体等构件作为第一道防线的抗侧力构件，如框架-剪力墙结构中的剪力墙，框架-填充墙结构中的填充墙，单层厂房纵向体系中的柱间支撑，均可作为各自体系中的第一道抗震防线。

如因条件限制，只能采用单一的框架体系，则框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构件，此时应采用“强柱弱梁”型的延性框架。在地震作用下，框架梁成为第一道抗震防线，框架柱为第二道抗震防线，用框架梁的变形去消耗地震能量，使框架梁的屈服先于框架柱的屈服，从而保护了框架柱的相对完整，最终达到“大震不倒”的要求。

（五）结构抗震设计关键点的把握

在结构抗震概念设计中，还应注重对结构体系中的关键部位（如薄弱层，加强层等）、关键部位中的关键构件（如加强层的重要竖向构件、转换层的水平转换构件等）、关键构件中的关键节点（如梁柱节点，柱根部位等）几个关键点的把握，从而实现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固、强柱根弱杆件”的设计理念。

结语

结构抗震概念设计不是拒绝进行复杂结构设计，而是要求在处理复杂结构设计时明确：什么是结构设计的最佳选择？采用不合理的结构方案或结构布置可能会带来什么样的后果？需要采取哪些补救或加强措施，并对这些措施的合理性和有效性做出客观的评价，以保证结构性能目标的实现，确保房屋安全。结构抗震概念设计不是指手画脚的空洞说教，而是具有丰富内涵的实实在在的工作。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析[S].

[4] 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

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