抗震概念设计在建筑结构设计中的应用

杨伟松

湖南省建筑设计院有限公司，湖南长沙 410000

抗震是建筑结构设计重要内容，对保证建筑稳定性、安全性等均有重要作用，目前已得到相关人员的高度重视，抗震概念设计作为一种新理念和方法也得到广泛应用，发挥着十分重要的作用。

1 建筑抗震概念设计

概念设计是以人类学习与实践有关的概念为依据，采用人类的判断力与思维，准确且全面的分析结构各项性能。即将结构品性分析结果作为根据，确定结构的整体和局部，以确保结构具有最佳品性，包括耗能、承载与变形等方面的能力。

注重抗震概念设计的原因为地震作用存在不确定性，同时结构计算假定和现实存在明显差异，导致计算结果无法反映结构发生的变形与受力，并在此基础上保证结构的可靠性与安全性。

对于结构抗震设计，它主要存在如下不确定因素：

（1） 地面运动方面。当地震发生时，地面发生的运动为多维形式，其各分量都会使建筑遭到损坏。在以往地震当中，强震仪曾多次记录到各方向分量[1]。

（2） 结构分析方面。可对结构动力特性及动力反应造成影响的因素包括：质量分布存在的不确定性；上部结构和基础之间的协同作用；各节点发生的非刚性转动；柱发生轴向变形等。其中，各节点发生的非刚性转动，可造成5%～10%的影响；柱发生轴向变形后，结构体系自振周期将增加15%左右，相应的加速度反应则降低约8%。

（3） 材料方面。对混凝土材料而言，其弹性模量随应变与时间的变化而改变。伴随时间不断增长，弹性模量相比于刚完工时可能减小达50%，而且如果应变增大，则还有可能持续减小，最终使自振周期被延长，加速度反应大幅减小。

（4） 阻尼方面。对于钢筋混凝土，其阻尼比通常为5%，而受到地震作用松动后，阻尼比可以达到20%～30%，这两种情况下的自振周期之差可以达到50%[2]。

（5） 基础差异沉降。按照常规荷载进行设计而成的框架结构，在地震系数取1.0时，仅1cm的建筑基础沉降差异即可造成近70%的弯矩偏差，并且这在设计过程中很少进行考虑。

（6） 地基承载力。在综合考虑地震作用瞬时加载与偶然性的基础上对地基受地震作用的影响进行分析，在取得地耐力时，通常要增加33%～50%，此值为人工估计，易带来较大设计偏差。

可见，当前抗震设计并未达到预期水平。想要使建筑有良好抗震性能，应先从大角度入手，理解并深入开展概念设计。若整体设计不到位，无论计算工作如何细致，都不能起到理想作用，导致建筑倒塌。

2 建筑抗震概念设计具体应用

2.1 选择有利地段

在选择场地的过程中，应尽量选择对抗震有利的场区。对抗震不利的地段是指地震发生后造成崩塌、陷裂、滑坡、泥石流等灾害的地段，还包括震中烈度超过八度的断裂带。从地形角度讲，抗震不利地段主要是指以下地形：凸出山嘴、孤立山包、山梁顶端、土质陡坡等；而从土质角度讲，抗震不利地段主要有以下几种：软弱土、液化土和断层破碎带等[3]。

2.2 减少能量输入

2.2.1 减薄场地覆盖层

规范对场地覆盖层给出以下定义：地面和坚硬层顶端之间的距离为覆盖层厚度；其中，坚硬层是指剪切波速在500m/s以上的硬土层，孤石堆及硬夹层都不作为场地基岩考虑。世界范围内的地震资料表明，对柔性建筑而言，土层较厚时，震害较重；而土层较薄时，震害较轻，若能直接在基岩上进行建设，则能有效减轻震害。

2.2.2 选择坚实场地土

场地土即分布于场地的地基土，从平面上看和自然村有大致相同的大小，深度为地面以下15m左右。从震害中可以看出，当场地土刚度较大时，震害指数一般很小；而当场地土刚度较小时，震害指数通常很大。除此之外，对高层建筑而言，因其周期较长，所以当处在软土层时，实际输入的能量将远大于硬土。基于此，从减少能量输入角度讲，在条件允许的情况下，宜采用坚硬场地土，即剪切波速大的场地土。

2.2.3 严防共振

若建筑自振周期和地震卓越周期达到相近，则建筑由地震造成的破坏将进一步加重，即共振。比如，罗马尼亚弗兰恰地震的卓越周期为东西向1.0s、南北向1.4s；布加勒斯市中自振周期在0.8-1.2s范围内的高层建筑遭到严重破坏，甚至部分建筑直接倒塌，但自振周期在2.0s左右的建筑却没有太大震害。基于此，设计过程中，应先对场地范围内的卓越周期进行估计，再通过对建筑类型及层数的调整或改变，尽可能使自振周期远离卓越周期。通过研究发现，依靠场地周期能对卓越周期进行估量。而场地卓越周期则可根据剪切波速等参数确定，参考范围为0.2～4.0s[4]。

2.2.4 采用合理有效的隔震措施

通过对隔震技术的合理应用能使结构各项动力特性发生变化，实现对地震能量实际输入的有效削弱，减弱地震反应，从而实现防震目标。在实际的设计工作中，可采用以下隔震方法：橡胶垫、滑移式隔震、悬吊式隔震等。

2.3 选择有利的抗震体型

2.3.1 平面简单

结构越简单越能使地震力得到快速且明确的传递，确保计算模型与真实受力相接近，得到的结果真实可靠，从而提高设计成果的质量。在地震区，平面宜采用圆形、矩形或方形；扇形、多边形与椭圆形等次之。虽然三角形也是简单形状，但因其主轴方向上无法实现对称，受到地震作用以后产生扭转振动，不利于建筑抗震。除此之外，有翼缘的H形、L形与Y形，也会对抗震造成不利影响。

2.3.2 立面均匀

建筑立面上，无论是刚度变化还是质量，都必须达到均匀。如果布置不匀，则将造成刚度或强度突变，导致抗侧力构件产生应力集中，削弱抗震性能，在发生地震以后容易损坏，严重时直接倒塌。比如，因建筑沿竖向进行收进，当地震发生时，收进位置上下部分有着不同的振动特性，产生一定程度的应力突变，导致凹角出现应力集中的现象。

按均匀性基本原则，立面应采用非突变形状。对于突变性立面，最好不用，这是因为立面一旦突变，则在突变处会产生一定弹塑性变形与地震反应，致使破坏加重，需要在突变位置进行有效加固。

2.3.3 建筑高度

通常情况下，建筑越高，受到的地震作用越大，震害越严重，每一种结构体系都有其适合的高度。各结构体系建筑极限高度的确定需对以下因素进行综合考虑：结构自身抗震性能、经济性、合理性、地基实际条件和以往震害经验。以钢筋混凝土结构建筑为例，其不同情况下的建筑高度极限取值如表1所示[5]。

表1 钢筋混凝土结构建筑在不同情况下的高度极限取值 （m）

3 结语

综上所述，抗震概念设计是建筑结构与抗震设计发展的必然趋势，它对建筑结构抗震有重要作用和意义，应在正确认识抗震概念设计含义的基础上，加以科学利用，以提高建筑结构抗震设计水平，提高结构抗震性能。

[1] 王鸿飞.浅析抗震概念设计在建筑结构设计中的应用[J].建材与装饰，2016，44：72-73.

[2] 张珍荣. 抗震概念设计在建筑结构设计中的应用[J]. 江西建材，2017，14：22.

[3] 张可可.抗震概念设计在建筑结构设计中的应用初探[J].城市建设理论研究 （电子版） ，2017，18：87.

[4] 汤兰.试论概念设计在建筑结构设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2014，29：229.

[5] 郑军辉.概念设计与结构措施在建筑结构设计中的应用[J].城市建筑，2012，15：13.