建筑结构设计中的抗震设计

◎彭洋

地震所具有的破坏性会给人们的生产生活带来严重的影响，造成重大损失。特别是近年来，地震的频繁发生，国家、人们的安全极大的受到了威胁，因此抗震设计在建筑结构设计中越来越受到关注。随着我国对地震方面的研究，建筑结构设计虽然不断进步，但是抗震设计仍然存在不少问题，抗震设计问题亟待解决。

一、引言

地震是我们常见的一种自然灾害，且地震带来的危害大、破坏性强、还具有不容易预测的特点，所以当地震一旦发生，其危害将十分巨大，如果我们的建筑没有抗震性，就可能使人们的生命财产安全遭受毁灭性破坏。所以说，建筑自身的抗震性具有十分重要的作用。我国在对建筑抗震规范的抗震要求提出一定要做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则，根据这个要求和目标，我国建筑结构设计的抗震性取得了十分重大的成就，建筑的抗震技术也基本成熟，使人们群众在地震中收到伤害的可能性大大减低，但目前的建筑抗震性距离人们的要求还有一段距离，而且随着建筑的装饰越来越豪华，如何避免人员伤亡，并尽可能的保护建筑已经成为抗震技术应用层面的又一新方向。

二、建筑结构抗震设计概念

建筑结构的概念性抗震设计是根据基本建筑设计原则和思想，确定具体项目的设计和细节结构的过程。设计原则和想法依据多年的工作经验，在抗震结构中计算地震安全性至关重要。抵抗地震计算的基础是概念。概念设计比地震计算起着更重要的作用，原因有三：首先，土地的运动和地震是非常不确定的。其次，我们不能确定地震中复杂地面运动。再者地震期间的结构响应程度最终没有完全反映在设计概念中。因此，完全依靠计算结果来完成建筑物的抗震设计并非详尽甚至危险性很大。地震概念的基本原则是注重地震场地的科学选择，选择合适的结构地震系统，并选择合理的结构材料。

三、建筑抗震设计的基本原则

（一）整体合理性原则

进行房屋建筑抗震设计，首先要保证整体结构设计合理，严格遵守建筑抗震设计和结构设计标准，保证建筑整体设计的科学合理性。在这个过程中，抗震设计要有自己的特点。建筑结构设计时，应根据建筑结构周围的环境特点，设置不同的抗震设施。抗震设计规划应充分考虑建筑的整体规划方案，对建筑进行具体的结构规划设计，确保建筑安全，有效提高居民生活质量。

（二）扭转不规则性

《建筑抗震设计规范》规定，在偶然偏心的规定水平力作用下，楼板两端抗侧力构件的弹性位移或层间位移的最大值与平均值之比不应大于15，称为扭转不平顺。同时，山西省住房和城乡建设厅发布的《山西省超限高层建筑工程抗震设防界定规定》号通知规定，当比值大于1.2 时，列为三个不规范定义之一。相关研究表明，可采取以下调整措施，降低侧力构件弹性位移或层间位移最大值与平均值的比值。（1）布置剪力墙时，在满足建筑需要的前提下，尽量加长建筑周边的剪力墙，增加建筑周边剪力墙的厚度或增加周边连梁的刚度。（2）布置剪力墙时，纵墙或横墙应尽可能对齐，且刚度相近。通过调整建筑结构的平面布局，如适当增加或减少远离质心的抗侧力构件，使质心与建筑刚性中心更接近。

四、建筑结构抗震状态分析

我国很多既有和在建的高层建筑或多或少都考虑过抗震这个环节，但很多时候设计者和建造者都没能把这个环节落实到位。通过调查，我们发现了目前我国高层建筑存在的一些共性问题，主要体现在高层建筑的高度超标，很多开发商为了获取更多的利益，选择建造超出安全高度的高层建筑。一旦建筑高度超过安全设计高度，其结构将被破坏，稳定性自然下降，导致建筑在地震后更容易受损或倒塌。其次，一个常见的问题是高层建筑的建筑地址选择也存在一些问题。随着城市人口的增加，对住房的需求也在增加。为了获得更多的利益，开发商应该尽可能多地开发可用的土地资源来建设高层建筑。但为了加快发展，很多高层建筑在选择建筑地址前没有充分考虑地质问题，没有严格勘探建筑场地的地质结构，这也是对建成后房屋抗震能力的极大考验。

五、建筑结构的抗震设计

（一）材料的选择

建筑结构的抗震设计通常因地区而异，地震建筑材料的选择通常基于该地区的地震历史而形成。根据一个地区的地震历史，可以推导出反映该地区建筑物抗震要求的科学数据。建筑物的结构受到材料的刚度和可塑性的影响。轻质材料在满足基本设计理念后通常具有较低的抗震性能。在东北部地区，钢筋混凝土是实现某些地震效应的首选材料。补偿器的结构实现了良好的抗震性能，通常是大型建筑物的抗震措施，主要是为了提高基础的稳定性。

（二）房屋建筑结构设计选型

在建筑工程方面，无论是承载的能力，还是刚度，都要做到在房屋建筑方面的均匀分布。而聚焦于结构平面方面的不规则，设计人员在工作之中要对其程序实施特别严格的控制。而在平面布置之中的严重不规则方面，通常情况下要因为上述的原因而做到禁止加以使用。

1.在竖向承重结构方面的选型。

在建筑竖向体型方面，受限于结构必须规则的规律而不能够过大。通常情况下，无论是竖向抗侧构件方面的不连续，还是侧向刚度的不够规则，都是结构竖向不规则的具体内容。就水平荷载作用之下的房屋结构而言，其侧移变形在房屋建筑高度不断提升的情况下将显著地提升。对于结构所实施的相关设计之中，对材料的下述两个方面要特别予以重视：一是刚度；二是强度。结构方面使用的功能会因此而充分地得到发挥。在这样的结构形式之中，一般情况下以抗裂的能力因为其具备建筑楼层特别少为最重要的特点而较为差。也就是说，上述这样结构类型方面选型实际上的不适合的。

2.在水平承重结构方面的选型。

就重力承载方面建筑结构而言，在建筑物的使用之中，一般情况是借助于相关的水平结构加以实现的。这样的结构在没有意外的情况下所包括的既有密肋楼盖，也有无梁楼盖等诸多的方面。

3.下部结构方面的选型。

在下部结构类型的选择方面，高层房屋建筑在好坏的具体程度所产生的这样一些方面影响是较大的：一是施工的具体时间；二是工程造价的多少；三是结构的安全。因此，选型方面工作是特别重要的。就常见的基础形式而言，一般情况下为下述的三种：一是片筏基础；二是交叉梁基础；三是柱下独立基础。

4.结构延性。

就柔性参数而言，在高层建筑结构方面通常情况下都是特别显著的。其所导致的为地震的作用力的影响使得建筑的变形特别厉害。而无论是倾斜，还是倒塌，在地震的作用下，房屋都有可能发生。因此，适当的稳固结构方面的措施要不断地强化。

（三）隔震措施

一般来说，建筑物的抗震设计要依据地理环境和建筑物大小，而且隔震措施也是进行有效的地震等级测试。地震隔离通常涉及基础隔离、层间隔离和悬浮隔离。建筑隔震措施的减弱了地震对建筑物的影响，通常放置在建筑物的关键位置。

一是土壤措施：沥青原料隔震层是我国比较常见的隔震层。其基本隔震层是缓冲层，因为它与建筑物基础底部的土层接触，能够很好地吸收和反射地震力，从而减少地震对建筑物的破坏。科学和技术不断发展，我们相信建筑结构的隔震设计正变得越来越完美。

二是基本隔震措施，基本抗震性能一般包括混合隔震、底滑隔震、夹层橡胶隔震。基本隔震机制主要用于防止地震从地基上扩散，使多层建筑一般接管基本的隔离措施。建造建筑物时最重要的是基础设施设计。上层建筑取决于基础，因此我们需要密切关注基础设施设计。

三是层间隔离措施。层间隔离概念的实现简单易用。因此，通常将早期建筑物中的中间层隔离。中间层的隔震系统可以吸收地震的残余力，减弱地震力的影响。

四是悬挂隔离措施。这是一种有效的抗震效果，适用于具有优异抗震性能的大型钢结构。悬架绝缘的机理是通过建筑物的悬挂实现隔离效果。悬挂结构分为主体和下体，在地震期间，主体承载大部分地震力，以减少地震对下半身的破坏。中间管的土壤不会传播，地震会对上部结构的主要结构造成损坏。有效降低悬浮绝缘的绝缘效果明显，并将逐步使用。经过多次实践和研究，悬架隔震的设计理念更加完善，有效提高了建筑物的安全性。

（四）建筑结构参数的合理设计

1. 建筑结构依靠延展性来抵抗地震作用下墙体的非弹性变形。因此，在地震的情况下，建筑结构的延展性与建筑结构一样重要。为了使钢筋混凝土结构在发生地震时具有良好的延展性，有必要将其参数设计中的形状变形集中在具有良好延展性的部件重量上，或者集中于良好的膨胀。建筑物的参数设计是地震作用下建筑构件的响应计算，包括墙柱和旧墙板的承载力和变形的计算。

2.在初步计算之前，应根据高层的实际工况确定合适的计算模型。在特殊情况下，相应的简化处理和计算可遵循概念设计。计算软件条件必须严格按照相关规范和标准执行，并可根据实际设计条件进行特殊处理。在复杂结构的变形和剪切力分析中，使用两种或更多种不同的力学模型，使用两种理论，即主拉应力和剪切理论。主拉应力理论主要用于砌体，剪切理论主要应用于砌块结构。

（五）通过性能阻尼设计的抗震性能

性能阻尼通常通过使用阻尼器来实现，并且效果显著。能量消散器可以消耗地震的能量，阻尼器可以吸收地震的能量，以确保建筑物主要结构的安全。功率阻尼是多功能的，可用于新旧建筑。

传统的地震结构系统通过改变结构的刚度来实现抗冲击性。该系统也有缺点。首先，这种设计的结果是建筑物被打破，但没有倒塌。因此，它不适用于纪念性建筑，适用于成本相对较高的建筑物和核电站。第二，建筑物的破坏是非弹性变形，非弹性变形是不可逆的。如果建筑物的变形严重就不能修复，如果情况并非如此，它可以修复，原来的建筑只能用更多的资金建造新的建筑物。随着时间的推移，越来越多的高层建筑正在增加对建筑物抗震系统的需求，传统的抗震结构体系的缺点也在显现，使得建筑物无法满足一定的地震标准。新的功率阻尼设计使建筑物的地震水平达到标准，其应用范围广，抗震效果显著。

（六）通过防止共振进行抗震设计

两个物体的自然振动周期接近发生共振，当地震发生时，建筑物和位置会产生共鸣，建筑物容易倒塌。因此，为了提高建筑物的抗震性能，必须防止共振。建筑物的自然振荡周期受到结构层数，结构类型和结构系统的影响。为了避免建筑物与位置之间的共振，自然振荡周期是不同的。因此，应对这些因素进行一些调整以防止发生共振现象。

六、实例分析

某项目隔震层设置在第二层与第四层之间，层高为2m。橡胶隔震支座设置与建筑物结构的受力情况有关，一般情况下，其应设置在结构受力较大的位置，型号、尺寸、隔震支座的数目和分布根据隔震层上部传下来竖向承载力、隔震层本身的侧向刚度和阻尼的要求通过计算确定。隔震层在罕遇地震下应保持稳定，不宜出现不可恢复的变形。隔震层橡胶支座受拉效果较差，在罕遇地震作用下，应尽量避免此情况的发生。隔震结构橡胶支座的平面布置分别见图1。项目全部采用橡胶隔震支座组成隔震层。本项目结构隔震层共布置了85 个橡胶隔震支座，共选择了7 个型号。其中LRB-G4-800-Tr162-C160共 8 个 ，LRB-G4-1000-Tr182-C180 共 28 个 ，LRB-G4-1200-Tr203-C200 共 14 个 ，LNR-G4-1300-Tr203-C220 共 4 个 ，LNR-G4-800-Tr162-C40 共 18 个，LNR-G4-1000-Tr182-C50 共4 个，LNR-G4-1200-Tr203-C60 共 9 个。

图1 隔震支座平面布置图

图2 LNR-G4 D800-Tr162-C40 及LRB-G4-D800-Tr162-C160 上预埋件尺寸

橡胶隔震支座材料及配件要求：钢板Q235B，锚筋45 号钢，fy=350Mpa。配件：M30x120，M33x120，M36x140 高强发黑六角头全螺纹螺栓，符合GB5783，强度等级8.8。每个六角头全螺纹螺栓配相应垫片一个。钢板应严格按照钢结构规范进行防锈处理。支座安装倾斜度不大于1/300。除去连接板部分的橡胶支座，各部分之间除可靠粘结外，必须是整体高温硫化而成。支座使用寿命不得少于建筑物使用寿命。锚筋采用45 号实心圆钢，锚筋与端板采用穿孔塞焊连接，锚筋与预埋板之间采用螺纹连接，其螺纹长度分别不小于预埋板厚度。

七、结论

总之，要使建设项目真正能够缓解甚至避免地震灾害，必须从选址、设计、施工、质量控制和竣工验收中选择抗震结构工作。在抗震设计中，新结构体系形式复杂，难以分析，全面细致地考虑结构的各个组成部分，未来将成为新结构体系设计和考虑的重点。在设计建筑结构时，还要充分了解抗震设计问题和抗震要求，充分考虑抗震设计的意图，确保建筑物的抗震能力，从而减少由此引起的生命和财产损失。