民用建筑结构抗震设计浅析

蒋朝文

东南大学建筑设计研究院有限公司 江苏 南京 210096

引言

地震是一种经常发生的自然灾害，其发生没有规律性，主要是地壳运动引起的灾害，当地壳运动强度达到一定程度的时候，形成的地壳水平和竖向运动，就会以地震波传导到地表，对建筑物的安全产生破坏性的影响。我国地域广阔，地震参数各地均有不相同，民用建筑设计时不因地制宜合理选用地震参数，则会对人们的生命财产安全产生很大的影响。随着地壳的运动，各地地震也频繁发生，若民用建筑的抗震能力又不突出，就会产生很大的损失，影响社会和谐发展。因此必须重视民用建筑结构设计工作中的抗震设计。

1 民用建筑抗震设计基本原则

民用建筑是立于地表面的建筑物，其竖向荷载主要依靠柱、墙等竖向构件传至地面，而地震运动为水平运动和竖向运动，在地震作用下民用建筑即为固定在地表产生水平振动或竖向振动，使建筑物产生水平和竖向地震力而导致结构损坏，因此良好的结构抗侧刚度分布，能够在不增加建筑成本的同时，提高建筑物的抗震性能。合理的结构设计能形成建筑结构在地震作用下各构件之间力的相互作用，结构均匀受力以最稳定的方式进行耦合，特别在关键部位提高抗外力破坏的刚度和承载力，能取得抗震的理想效果。因此民用建筑结构抗震设计时，首先应合理选择建设场地，其次根据建筑高度和特点合理选择结构体系，再则应采用新材料新技术等措施进行结构抗震概念设计，提高建筑结构抗震性能[1]。

2 建筑结构设计中影响抗震能力的因素

2.1 建筑抗震场地

建筑场地一般可分为：有利地段、一般地段、不利地段和危险地段。地震对建筑结构的损坏，其所在的场地条件有较大的因素，例如地表错动和断裂，地基土的沉陷、滑坡和液化，等等。因此，在建造设计民用建筑时，应对建筑所在场地进行根基当地地震活动和工程地质资料综合评价，选择抗震有利地段。

2.2 建筑结构体系

在进行抗震设计时，必须考虑好建筑物局部、整体的关系，建筑物的结构体系与建筑物的安全性形成密切联系，建筑结构体系要合理设计和布置，否则会导致整个建筑的抗震效果受到影响。同一地区不同结构体系建筑物在地震中的反应和破坏程度均不同，合理的结构体系能使建筑物整体结构的抗震性能不受到局部结构被地震破坏以后而影响结构整体安全，建筑物的构件强度和刚度都要维持均衡，设计时避免分配不合理，否则就因为局部构件首先破坏，而降低建筑物整体结构的抗震能力[2]。

3 建筑结构抗震设计理念

3.1 建筑具备规则特性

要使民用建筑的抗震性能达到理想目标，就要注意建筑物的规则性，只有使建筑物满足一定的结构设计规则性，才能够使建筑，特别是高层建筑扭转刚度比较突出、结构刚度、承载力分布均匀。结构规则性主要指建筑结构平面规则和竖向规则，如果建筑物的结构平面和竖向刚度均匀，那么就能够使建筑物自身的力量能够承受住地震产生的水平力的冲击，整栋建筑结构不会受到严重的破坏，另外平面、竖向的质量也要均匀分布，这样才能够使建筑物的抗震性能更加突出。

3.2 建筑层间位移限制

在进行民用建筑的设计时，应对建筑结构的水平位移、各楼层层间的位移角加以限制，否则结构会因变形过大而破坏，对生产生活和人民生命安全产生影响。对建筑层间的位移大小能够发生影响的因素，包括了结构体系特点、使用荷载和建筑高度层高等要素。建筑物结构时要根据建筑物使用荷载和建筑物高度合理选择结构体系，合理设计结构刚度，使其在地震作用下既有良好的变形能力，又不至于变形过大，这样才能够提高建筑物的舒适性、安全性和稳定性。

3.3 控制地震对建筑的扭转效应

假如建筑结构的质量、抗侧承载力分布不均匀，质量中心和刚度中心没有重合，地震作用下就会使结构产生扭转效应，使其结构抗震能力大大受到限制。在发生较强烈的地震的时候，扭转刚度较弱的建筑物，非常容易坍塌。因此提高建筑物抗扭转效应，首先建筑外围结构要有足够的刚度，还要重视建筑物抗侧力结构的设计，要避免不同楼层之间的刚度中心不在一条主线上，造成上下层间的偏位[3]。

4 民用建筑中常见结构形式的抗震性能

在民用建筑的常用结构形式中，最常用的包括了砖木结构、钢筋混凝土结构、钢结构等几种形式，每一种形式的抗震性能都有差别。

4.1 砖木结构抗震性能

砖木材料在以往经济技术落后时代的民用建筑中非常常用，此类建筑采用木材起到支撑作用，承重墙使用砖石材料进行堆砌。但是地质灾害发生的时候，建筑物的结构有时易被破坏，甚至出现坍塌的情况，纵横墙的连接也不牢固，因此建筑物的整体抗震性能不佳，需要逐步改进。因此，在历次地震灾害中，此类房屋破坏较为严重。

4.2 砌体结构抗震性能

现在在我国农村和经济欠发达地区仍然使用这种结构，这种结构有多种工艺形式，所形成的建筑物的体积和重量也千差万别，但是多是以小型开间的房屋为主。因为内外墙比较多，相比砖木结构建筑物能产生较好的抗侧力刚度，使建筑物的抗震性可以整体提升。由于砖砌体这种材料是一种脆性材料，不容易变形，却容易开裂，在地震发生的时候可，能出现交叉裂缝，甚至局部出现坍塌。因此，在历次地震灾害中，此类房屋破坏也较为严重。

4.3 钢筋混凝土结构抗震性能

当前民用建筑的所用结构材料已经发生了很大的变化，除了从单层向多层形式发展之外，传统的砖木结构也越来越多地被其他的材料所取代，例如钢筋混凝土材料在现在的应用就比较广泛。钢筋混凝土结构主要是用钢筋混凝土这两种材料进行搭配，可以形成框架结构，可以形成剪力墙结构，也可形成框架-剪力墙结构。因为钢筋混凝土结构的可使用周期长，钢材的消耗量不是很大，因此成本低，所以受到建筑设计者的重视。这种材料形成的结构空间可以灵活分隔，墙体重量不高，但是抗震性能却不受到影响，其中含剪力墙的结构比纯框架结构的抗震性能更加突出。因此，在历次地震灾害中，此类房屋破坏较为轻，可修复性强。

4.4 钢结构抗震性能

用钢结构进行建筑结构设计，现在应用范围越来越大，钢结构材料有很好的强度，外力的冲击不容易使钢结构变形。另外，使用钢结构材料的施工工艺也比较简单，建筑结构设计时可以通过合理的构件截面设计，利用钢材料的性能优势，提升建筑物的抗震能力，钢结构还有很好的可塑性、延展性，而且这种性能不影响钢结构的强度和重量，因此钢结构是抗震性能非常显著的建筑材料，即便是高烈度的地震，也能够因为钢结构的存在而使其破坏性降低，但是钢结构的造价比较高。因此，在历次地震灾害中，此类房屋破坏也较轻，结构构件损坏方便替换后继续使用[4]。

5 增加民用建筑结构设计抗震能力的策略

5.1 选择有利的抗震场地

建筑物的抗震性能除了受自身结构影响，还受所在地区的气候和地质条件的影响，这是首要环节，必须高度重视。高层建筑所在的场地的地形条件，对于建筑物的抗震性能影响更大。如果地表有较硬的土质进行覆盖，那么建筑物的稳定性就容易因为地基稳固而不容易出现问题。如果地表覆盖很厚的软质土层，那么发生地震时，就容易出现安全问题，另外一些不平整的丘陵、山梁地带，也容易使建筑物受到地震的破坏，如果建筑物处于断层地带，还容易出现滑坡等情况。因为地基错位会导致建筑物的安全性能显著下降，因此在进行民用建筑的设计时，要避开这类安全性能比较差的地区，或者采取必要的措施降低在这类地区所建设的建筑物的风险性。

5.2 设置多重抗震防线

地震发生时，如果抗震防线不足，那么建筑物的安全性能就下降，就不容易保证人的生命和财产安全，因此在对民用建筑结构的抗震能力进行设计时，要设置多重抗震防线，使用的材料要具有很好的延展性能，这样才能够缓冲地震发生时产生的冲击力，使地震的破坏程度最大程度被控制。

5.3 合理设计建筑平面和空间

要根据最新版的建筑抗震设计规范对建筑物的平面和空间进行优化设计，来对建筑的形状、抗侧力构件进行设计，要避免在抗震保护层的第一环节选用钢筋混凝土结构，因为这种结构轴压较大，不容易提升建筑物的抗震性能。还要提升建筑物抗击余震破坏的能力，尽可能使住宅的形状比较规则，使刚度和强度在建筑物空间内能够均匀分布，这样的建筑物的平面和空间才能够不容易受到地震的破坏。

5.4 提高建筑薄弱部位的抗震能力

提升建筑物的抗灾水平，要重点关注薄弱部位的抗震能力建设。要通过科学的计算，合理的设计，确保建筑物整体的抗震性能不受到薄弱结构的影响，还要协调好民用建筑各结构之间的承载力的关系，防止薄弱部位在受到震动影响时发生变形，从而使建筑物的抗震性能下降。最容易出现问题的局部环节，要加强质量建设，要特别注意材料的选择以及建造工艺的合理性。

5.5 设置隔震减震装置

不少民用建筑在高烈度地区一味采用抵抗地震作用影响而导致结构竖向构件截面尺寸过大、材料使用过多，因此影响了外观，建筑在建造过程中难度也很大。但是如果建筑结构体系中在预先设计好减震装置，从而使建筑物的在水平力作用下阻尼增大，或者在地面处设置地震隔断装置，从而减小建筑物的抗震作用，提高建筑抗震性能，提高主体结构的安全，因此必须做好减震隔震装置的设置工作，优先使用隔振器设备、阻尼器设备使主体结构和地基之间，能够建立一个性能稳定的免震层，从而减少建筑物受到地震破坏的程度[5]。

6 结束语

由上可知，在不可抗力的地震灾害面前，虽然无法做到有效的规避，但是可以通过加强建筑结构设计中的抗震设计来提高建筑的稳定性。设计人员应当在做好建筑选址的前提下，对抗震参数进行精确设计，并在设置多种抗震防线的基础上，做好建筑空间布局设计，以提高建筑整体的安全稳定性能。虽然各种建筑结构形式都有较好的抗震能力，但是人口密度增大以后，加上各种气候、地质等外在条件的影响，以及使用年限增加以后，材料开始老化，会导致建筑的抗震性能发生变化，因此在进行建筑的时候，必须提高结构抗震安全设计水平，提高建筑的抗震性能，以便保证居民的居住、生产和生活要求得到满足。要不断融入最新的抗震理念，从建筑设计开始，就对建筑物的建筑性能可能受到的影响因素进行全面分析，从而保证建筑物的安全，保证人民的生命财产安全。