抗震设计在房屋建筑结构设计中的应用论述

曲胜虎

摘 要 下文立足于国内外有关建筑结构抗震设计的成熟研究，首先阐述了我国抗震设计方法、发展概况以及现存问题，然后对建筑结构抗震设计的应用进行了详尽论述，以期为广大从业者提供有价值的参考借鉴。

关键词 建筑结构设计;抗震设计;设计方法

我国地震活动表现为震源浅、分布广、频度高、强度大，是一个震灾严重的国家。2018年中国发生地震次数为11次，最近十年中，2014年发生的地震次数最多达到20次。2018年，中国地震灾害造成直接经济损失达302716万元。我国建筑行业发展起步时间相对较晚，半个世纪以来，我国结构抗震设计方法、地震学理论、动力学理论、结构理论从无到有，在不断学习借鉴发达国家成熟经验的基础上不断完善。时至今日，我国已经成为世界上最大的建筑市场，但是建筑抗震设计水准却相对低下。当前，应根据社会经济发展情况、建筑行业发展情况、建筑设计行业发展情况，探寻安全可靠、经济合理的结构抗震设计方法。

1我国抗震设计方法发展概况以及现存问题

根据现行的动力学理论以及结构抗震设计方法，大致可将建筑抗震结构设计分为两个类型：一是时程分析法、反应谱振型分解法。改革开放以来，我国参考国家上应用较为广泛的设计方法，顺应建筑结构设计发展趋势，逐步完善符合我国建筑行业需求的建筑抗震设计规范。比如，在二十世纪八十年代发布的《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）中就表现出了符合国际建筑设计惯例的性能设计方法，并将该设计思想归纳为不同的水准，以有效控制结构的强度以及结构变形能力。性能设计方法是相对精细的结构设计方法，除最基本的安全要求之外，还需要同步考虑到建筑的多种功能以及建筑的舒适度要求。中国地震工程力学所等标准制定协会则在现有技术标准的支持下编织出了一套完善的《建筑工程抗震性能设计通则》[1-2]。

建筑所遭遇的地震作用是偶然载荷以及可变载荷，此类载荷发生是随机且不可控的，概率相对较低，考虑到经济需求，若设置过高的建筑抗震结构标准是不可行的，在这种情况下，应找到经济性、性能等因素的平衡点。从该角度分析，在基本的地震作用下以及烈度作用下建筑结构如何避免倒塌应是建筑抗震结构设计所考虑的主要问题。客观而言，我国目前欠缺在大震作用下的康倒塌设计以及变形控制，现行设计规范中对基本烈度下的地震作用也没有进行全面的变形验算，对罕见地震作用下的变形验算要求相对有限。亟须以建筑构造为基础，确定定性、定量的建筑结构设计方法，但是国际上所通用的建筑抗震设计规范验算方法都是以反映谱理论为基础的，尤其是针对多遇地震载荷作用下的抗震验算，需综合考虑到弹性设计假设条件，在基本烈度地震条件综合考虑方面，也应该采用反应谱振型分解方法。另外，因输入地震和结构计算模型存在较大的不确定性，所以在大型复杂结构抗震设计方面存在诸多问题，输入地震、结构破坏准则、安全性评价技术等都是需要进一步深究的问题[3-5]。

2抗震设计在房屋建筑结构设计中的应用

2.1 可靠度设计方法在房屋建筑结构设计中的应用

抗震设计是一个存在一定随机性的问题，比如地震发生宏观机制、局部作用机制、弹性回跳理论、建筑竖向载荷变化、建筑风载变化、材料力学性能等都存在一定的不确定性，对于房屋建筑结构设计而言，应通过不断的分析来掌握这些因素的变化规律以及特征，最大限度来消除这些随机性。除了地震输入，建筑结构对地震的响应机制也是不确定的，其中最主要的就是基础和地基之间的相互作用。国内所用的可靠度设计方法主要是指，将地震视作为一个随机过程且和时间无关的平稳随机元素，并通过单一的参数来表达地震的发生概率，采用泊松模型来描述这个随机过程。所以可见，建筑结构设计其实并没有足够的、由实际发生统计数据来支持建筑结构设计过程。我国目前现行的《建筑抗震设计规范》，一直沿用着二十世纪八十年代所确定的“小震不坏、中震可修、大震不到”设计原则，和目前大多数发达国家的建筑结构抗震设计理念相同，有所不同的是，日本、美国等发达国家抗震设计主要参考结构的承载力，我国则以小震具体情况为设计依据[6]。

R-μ-T关系（R是指地震作用下的建筑结构折减系数、μ是指建筑结构的延性、T是指建筑結构的刚度）是可靠性设计的基础参考因素。通俗而言，建筑结构抗震设计需要在满足一定刚性需求的前提下，尽可能通过高质量的延性设计来折减地震作用。比如，美国的抗震设计标准UBC 1997就将中震为抗震设计的设防目标，充分展现了R-μ-T关系原则，我国抗震结构设计规范则不然，无论何种建筑结构体系，无论建筑抗震烈度的高低，折减系数均可取值为1/2.86。但是，不同区域、不同建筑结构形式、不同高度的建筑结构抗震设计方法也存在一定的差异，在设计过程中就需要充分考虑到该因素，如此才能够实现相应的设计目标。比如，广州地区的一类、二类场地的超高层建筑，就必须通过提高梁体、主体、核心筒的截面尺寸增加建筑结构刚度;上海地区的四类场地超高层建筑，不仅要保证结构各项控制性指标满足现行指导规范要求，也需要保证其剪重比满足最小地震作用要求。

2.2 结构抗侧刚度控制在房屋建筑结构设计中的应用

一般高层建筑、超高层建筑必须要有足够的侧向高度才能够满足抗震要求，并保证建筑的功能性以及舒适性，避免建筑构件处于不利的受力状态。以超高层建筑为例，超高层建筑侧向高度需要从不同的高度方向来探讨抗震设计。一是结构体系，结构体系选择目前有大量的理论研究以及工程实践可供借鉴。比如，高度小于200m的高层建筑，其抗侧力无明显空间作用，可选择框架、剪力墙、框架+及剪力墙、框架支撑结构;高度在200～300m之间的高层建筑，存在部分抗侧力空间作用，可选择框架+核心筒、分散独立筒、框筒、框架+核心筒+加强层结构;高度在300～400m的超高层建筑，存在明显的抗侧力空间作用以及巨型结构载荷作用，可选择框架+核心筒+伸臂加强层、筒中筒结构、巨型结构等;高度在400m以上的高层建筑，有较为突出的抗侧力增强空间作用，可选择筒中筒+伸臂加强层、交叉网格外筒+核心筒、核心筒+支撑框架、核心筒+伸臂桁架+巨型框架结构。

实际上，在结构设计中，结构体系选择并不是一个既定的要素，具有一定的可调整空间，在实际设计过程中，应综合考虑到建筑功能以及建筑品质要求。一是要采用空间作用相对建筑的结构体系;二是要尽量将抵抗倾覆弯矩竖向结构构件设置在结构边缘处;三是要尽量将竖向力传递给抵抗侧向倾覆力竖向构件;四是要保证竖向构件尽可能和主体结构共同受力。

3结束语

综上所述，建筑结构抗震设计是一个相对复杂的问题，需考虑的因素较多，对于广大从业者而言，应积极吸取当前成熟的方法以及经验，在合理选择建筑结构形式的基础上，综合考虑到机电安装、舒适度、功能性等因素，不断对建筑结构进行优化。

参考文献

[1] 卢一麟，尹凤霞，郭献洲.超限高层建筑结构抗震设计加强措施和建议——以某超限高层建筑为例[J].地震工程学报，2018，40（6）：1252-1258.

[2] 李子懿，肖从真，李建辉，等.复杂高层建筑结构抗震设计方法研究现状与展望[J].建筑科学，2019（9）：120-125.

[3] 李宗文，马建勋，马鸿敏，等.中、欧、日建筑抗震设计规范相关规定的比较[J].建筑结构，2018（S1）：325-328.

[4] 江韩，赵学斐，张并锐，等.某装配式建筑抗震设计及BIM技术设计施工一体化应用[J].工程抗震与加固改造，2019（2）：119-128.

[5] 徐莉，胡宏.考虑抗震性约束的建筑空间结构优化[J].地震工程学报，2018，40（6）：104-108，115.

[6] 肖从真，李建辉，陈才华，等.基于预设屈服模式的复杂结构抗震设计方法[J].建筑结构学报，2019，40（3）：96-103.