现代建筑结构抗震设计及加固处理措施

◎吴新春

引言：地震的发生往往很突然，严重威胁了人们的生命财产安全。因此，人们也越来越重视建筑物的质量安全。目前，设计人员在进行高层混凝土建筑结构设计时，需要将建筑的抗震性能考虑在内，大力发展建筑抗震技术。设计人员必须做好建筑抗震技术研究工作。对于混凝土建筑设计而言，抗震设计中最为重要的是把控建筑结构，只有建筑物的整体抗震能力达到标准，才能够抵抗地震灾害。因此，相关建筑设计人员必须对高层混凝土建筑抗震结构设计予以高度重视，在开展设计工作之前，做好结构设计分析工作，从而有效提高高层混凝土建筑的综合质量及安全性。

一、现代建筑结构抗震概念设计的重要性

经过大量的地震灾害后，人们逐渐意识到了建筑结构抗震性设计的重要性，并提出了“概念设计”而良好的“概念设计”能够在一定程度上决定建筑结构的抗震性。其目的就是为了能够合理地去选择建筑物的结构形式，以合理的建筑结构来进一步满足人们对建筑物的“大震不倒”的要求。在进行结构抗震设计时，建筑结构设计者需要不断地提高对抗震设计的认识和设计水平，在最终选择建筑方案时可避免业主的干涉，尽量避免因建筑物的大小、形状及布局等因素而出现较明显的缺陷。此外，建筑结构设计方案也不容易受到业主的经济观和使用观的影响，因为过于盲目地将建筑结构下部的延展性降低就会在一定程度上导致建筑结构中抗震墙的数量、形式等方面存在不合理现象，影响建筑物的整体质量。

二、高层混凝土建筑在地震作用下的破坏特点

地震对高层混凝土建筑的破坏可分为四大方向，地基破坏、结构体系破坏、刚度破坏、构件破坏。若建筑整体处于柔弱土层上，则易发生地基破坏，这是由于地震中土体液化会导致基础沉降的发生，这会致使高层混凝土建筑上部出现倾斜、地基发生不均匀沉降现象，同时使建筑物产生裂缝。而结构自身的结构周期与场地周期相一致时更会发生共振效应，进而导致更为严重的结构破坏状况发生。若地震中的建筑是框架填墙类结构，则地震发生时，框架的内框架柱上部会有剪切型破坏发生。而由于窗下墙的存在，窗洞部分会发生短柱型破坏。当高层建筑以矩形平面式作为主体结构时，一旦建筑中电梯井等结构发生偏心，地震带来的扭转震动作用会使得地震破坏力度大为增加。除此之外，L 形及三角形的不对称式平面形式在地震中易发生比矩形更大的扭转震动式震害。而在应用框架剪力墙的建筑结构中，房柱会比房板和墙面的破坏更为严重。由于框架柱中螺旋箍筋的设置，使框架间具有更大的层间位移角，进而使得框架柱对地震的抵御能力更强。

三、高层混凝土建筑抗震结构设计的主要原则

1.建筑结构合理性原则。

在实际建设过程中，设计人员需要有效结合目前建筑物的真实情况，选择较为合理的构建方式。一般来说，设计人员需要在确定整体结构之后，采用系统化的方法对结构进行分析。不同的建筑物之间存在差异，建筑物的构件也会存在一定的差异，但是在实际的选择过程中，设计人员必须按照结构合理性的原则来选择。建筑物自身能够对一部分刚度较差的梁体结构起到稳定支撑的作用，一些需要承受竖向荷载的构件不能转变为耗能构件，这是因为竖向结构十分脆弱，容易产生受力不均匀的情况，当发生地震时，部分位置容易坍塌。因此，所有构件都应该具有很强的延性，设计人员不仅要考虑工程近况，还要充分考虑工程后续发展情况。

2.建筑环节不同的抗震防线原则。

在高层混凝土建筑中，对于抗震防线而言，设计人员在不同的工程环节中需要进行不同的工程设计与资源配置。设计人员可以对高层建筑工程进行分级，在比较脆弱的位置设计多个抗震防线，这样即使发生地震，也会有效防止连带问题。此外，如果只是单一地设置一道防线，一旦发生余震，就有可能导致灾情的进一步恶化。构件之间的强弱关系也可以视作弹性变化的有效关系，在主体构件遭受一定的冲击之后，第一道防线就会被完全突破，由于后面防线与第一道防线存在一定的受力距离，因此第一道防线不会直接对第二道防线造成影响，进而有效保证了建筑物的安全性。

3.建筑不同部位的抗震设计原则。

对于一些具有强弱关系、距离过大的位置，设计人员需要合理应用不同的抗震设计结构。相关设计人员必须在开展结构设计工作之前，进行受力试验，充分考虑并结合每个构件的承载能力，准确判断局部构件的承载能力是否符合荷载要求。但是，除了局部构件的稳定性需要再次确定以外，整体构件的稳定性不能因为局部构件的稳定性增强后而受到忽视。简单来说，局部构件的受力效果、刚性程度、承载力的协调状况都需要根据构件形式的不同进行适度调整。另外，现场建设人员需要有效保证局部构件受力均匀，不能因为某个部位承载力较强，就减小这个部位的强度，因为这会增加其他部位的荷载，当发生地震时，就会影响整个建筑物的稳定性。

四、现代建筑结构抗震设计及加固处理措施

1.建筑材料的选择。

建筑材料的选择对抗震效果有着决定性的影响。一些位于地震带附近的国家为了保证建筑的抗震效果会选择更加优质的建筑材料，并且会鼓励建筑设计者创新和研发新的建筑材料来对抗地震灾害，从而保护居民。通过对建筑抗震效果的调查可以看出，砖瓦类型的建筑抗震效果较差，所以采用砖瓦结构的建筑越来越少，而采用箱体式结构类型能够提升建筑的抗震效果，其应用范围在不断扩大。结合目前建筑行业的发展，防震材料的应用已经有了较好的思路，既能够满足建筑抗震的数据需求，还能够兼顾建筑方的适用性和经济性。在传统的防震设计中，在建筑物的底部铺设粘土和砂石用来吸收地震发生时所产生的能量。现代防震设计的理念在原有的基础上进行了较大程度的升级，借助沥青材料对建筑的基底加以改造，既能够保证抗震效果，也能够增强建筑物日常使用的稳定性。另外，在墙体建筑材料的使用上，可以选择材质较轻的材料，这样就能够减轻建筑自身的重量，在地震发生时减少建筑的承载力，从而保证抗震效果。

2.优化抗震结构的功能及体系。

高层混凝土建筑在当今社会中得到了广泛应用，促进了建筑行业的发展，但是高层混凝土建筑施工对建筑的综合施工效果提出了更加多元化的要求，对建筑的整体抗震性能提出了更加严格的要求。设计人员需要优化建筑结构，在减少工程造价的同时，有效提高建筑的抗震性能。因此，建筑企业需要从优化抗震结构体系入手，对高层混凝土建筑的抗震结构进行综合性改良。在具体的施工过程中，施工人员需要应用剪力墙、筒体结构、悬挂等施工方法，来提高高层混凝土建筑的抗震结构体系和整体结构体系的科学性。施工人员在应用框架核心筒结构时，可能会遇到许多问题。例如，在施工中，悬臂桁架层数不断增加，某些层数的强度不足，无法满足相应的施工需求，从而严重影响建筑的刚度以及承重能力，如果发生地震，则高层混凝土建筑将无法保持原状。建筑企业在优化建筑抗震体系的过程中，需要有效地控制建筑的施工成本，从而在确保建筑质量的前提下获得更加可观的经济效益。

3.充分了解周边环境，因地制宜展开设计。

高层混凝土建筑的设计建造过程中，应将对地震等有关自然灾害的预防囊括在结构设计过程中。故而，对建筑位置的合理选择，能够显著提高相关结构的抗震能力。位置的选择应依托于相应科学理论，并在对备选位置周边地形地貌进行广泛勘探后挑选适合位置后开展工程建设。这期间应注意高层混凝土建筑周边不应出现变电站、发电厂等安全不稳定因素，并尽量将位置选择在平缓地带，避开山坡、沼泽等不利于抗震的地点。结构设计方案的制定应在国家有关标准体系框架内，而实际施工过程中的结构自身应具备一定的空间调节能力。以确保外力影响下结构建筑结构具备一定的结构延伸能力，具有依托记忆形状恢复至先前形状的能力。这一做法能够有效增强结构的抗震性能，并以这一延展性方案延长建筑的耐久性。例如，抗震结构设计过程中设计团队应对建筑周边环境进行实地考察，通过构建不同专业人员组成的实地勘察组，对施工地点以及周边环境的地质状况实现有效勘测。以此完善设计结构，对建筑中的关键连接点进行附加式稳固措施，在材料的选择过程中应兼顾材料的刚性和可延展性，主要是依托实地市场调研的方式，结合抽样检查等方式，对材料的实际特点与特性进行了解，坚持“只选对的，不选贵的”的原则，以实现传统材料和新型抗震材料的兼顾运用，从而在材料方面提升建筑的抗震性。

4.有效开展建筑平面布置。

在高层建筑混凝土结构设计的过程中，建筑设计人员应该坚持合理性、对称性、均匀性的基本原则，有序地完成平面布置工作。一般而言，在水平地震波的作用下，建筑的各个楼层都会产生明显偏移。具体来说，建筑的各个楼层都会产生完全变形、整体平移、整体扭动及剪切变形。因此，不同的结构需要应用不同的控制方式，只有这样，才能有效控制变形。控制方式包括缩减柱距离、缩减梁距离、设置钢臂、应用双重抗侧体系、设置竖向支撑等。设计人员需要采取交错式的设计方法来扩大建筑房屋的跨度，从而有效提高建筑整体结构的抗震能力，并且不会对建筑薄弱层位置造成拉伸影响，不会引起较大的位移和形变，最终使得高层建筑物的整体抗震能力达到国家规定的标准。

5.合理选择钢结构类型。

由于钢结构的抗震体系并不属于单一类型，种类较为丰富且较为多元化，所以在进行钢结构建筑的施工过程中，需要按照建筑施工所使用的材料以及钢结构建筑的实际高度，对相关的施工工艺展开科学选择。应保证所选择的钢结构类型能够与具体的抗震等级要求相符合，可对施工活动顺利开展形成有效促进作用，从而为后续各项操作的高质量开展奠定良好基础。

6.结合实际条件优化抗震方案。

建筑抗震方案是抗震设计的核心，也是施工准备的前提条件。科学的抗震方案在项目建设的过程中能够起到指导性的作用，对建筑的安全有一定的保证。在方案设计时首先需要考虑的就是建筑的整体结构，这也是提升抗震系数的重要手段。在混凝土建筑施工的过程中还需要充分考察施工现场，尤其是对当地的地质情况和地质外貌，要做到充分了解，避免在建设的过程中出现数据偏差。一定要经过严格的分析和计算，不断优化建筑的抗震能力。总体来说，抗震方案的设计是在科学分析的基础上展开，在执行过程中不断改良和完善，最终对建筑的抗震性提供最佳的保障。

7.建立构件受力模型，建立“框-剪力”结构。

在对抗震结构进行整体分析时，需要建立各构件的受力模型。以此确认结构不同部位的不同受力情况，并依托受力模型进行常见地震情况下建筑的应力方向、大小分析。以此为基础采取适当的结构性补充措施，以增强地震发生时建筑抗震性能的稳定性。这期间应尤其注重竖向结构上建筑的重力分布，以确保结构纵向上各组分受力均匀、结构受力合理且在适中范围内、各受力结构间未发生交错，应确保各受力组分间层次分明，各司其位。在此基础上对整体结构进行优化补充，对补充结构做出对应的美学设计，以确保建筑抗震性能与美学特征的双重提升。抗震结构设计中主体结构下包含多个延性分体系，各延性分体系间应进行有效的协同连接。例如，可建立“框-剪力”结构，以此形成多肢剪力墙结构分系。因为高烈度地震后往往有余震的发生，故而单一抗震防线的建立并不能有效应对余震。因此设计人员应模拟地震发生情况，在同一平面主体构建达到屈服程度后，确保其余抗侧力部件仍能处在弹性延展过程，以此实现主体结构有效屈服能力的跃升。由于钢筋混凝土自身自重较大，故而底层柱轴力相较于建筑高度成反比态势，在设定固定层高前提下，整轴压比的抬升是提升固件延性的主要措施，但轴压比不能过大，不然会导致结构短柱的形成。结构短柱延性极差，极易导致在地震中发生剪切破坏，进而使得建筑整体坍塌。以实践过程中结构短柱的加固为例，设计团队在结构短柱已经发生的情况下对其进行加固，有两个主要的加固设计方向。首先是对螺旋复合箍筋的使用，由于建筑框架柱的抗剪能力应符合强剪弱弯及剪压比指标，而短柱结构对这一标准并不适用。这时应加入螺旋复合箍筋，以此提升框架柱抗冲剪能力，对混凝土约束实现优化，使得短柱抗震能力得到提高。除此之外，还可选用分体柱形式，即将支柱循其竖向进行设缝，将整体短柱化为若干分体柱，并通过分体柱配筋在柱肢间安装隔板、摩擦阻尼器等连接件提高柱子的延性及整体抗变形能力。使得地震发生时短柱的破坏方式由应力剪切向整体弯曲转换，从而使得短柱功能向长柱转变，以此实现抗震能力的提升。

五、结束语

总而言之，在地震频发的环境下，加强对现代建筑结构抗震设计和加固处理是非常必要的，当基于合理的角度上明确建筑结构的具体形式之后，就需要科学地布置建筑物的结构抗震设计，只有这样才能够最大限度地避免因抗震不利而造成的严重后果。因此，不断创新和优化建筑结构设计，是保障人们生命财产安全的重点，更是建筑行业得以持续发展的关键。