建筑工程结构抗震设计及重要性分析

赵志强

（山西省阳泉市建筑设计院有限公司， 山西 阳泉 045000）

地震对建筑结构的破坏力度较大， 且地震后往往伴有不同震级的余震， 从而对建筑结构造成持续性的危害。 在现阶段的建筑工程建设中， 普遍应用的是混凝土结构， 需要在项目初期便由专员开展结构的抗震设计工作， 切实提高结构的抗震性能， 使其有效抵御地震造成的不良影响， 为人们的人身财产安全提供保障。 而建筑工程结构抗震设计是一项系统性的工作，期间涉及到诸多作业要点， 有必要加强探索， 理清设计思路， 把握设计方法。

1 “结构抗震概念设计” 的含义

建筑结构在地震作用下的破坏机理具有复杂性，难以进行精确的参数计算。 因此， 工程技术人员高度重视“结构抗震概念设计”， 在持续性的探索下， 提出具体的设计原则和思路， 兼顾建筑总体结构和细部构造， 以统筹规划的方式完成设计工作。 在该理念下， 有利于提高建筑结构的抗震水平， 也给抗震计算创设了良好的条件， 此时的抗震计算结果具有参考价值， 可在一定程度上反映结构在地震时的具体状况。

2 建筑结构抗震设计的必要性

3 建筑工程结构抗震设计的基本原则及规定

3.1 建筑建设场地合理性的原则

建筑结构的抗震能力在很大程度上取决于场地条件。 以相同类型、 相同规模的建筑物为例， 随着建造场地的变化， 在同一等级的地震作用下所出现的破坏现象不尽相同。 其中， 断层通过或断层交汇的地带发生地震后所造成的影响较为严重， 因此在建筑抗震设计时应尽可能避免在此类场地开展建筑建设工作。

3.2 地震次生灾害可控性的原则

地震引发的次生灾害也需得到有效的控制， 其无疑是建筑工程结构抗震设计中不可忽视的一部分。 在地震区开展建筑设计、 建设工作时， 应注重建筑间距的合理性， 不宜小于房屋高度的1 ～1.5 倍， 在此前提下， 便于在发生地震后人员的高效疏散， 也能够给抗震临时设施的修筑提供充足的空间。 此外， 还需规避“房高巷小” 的问题， 否则建筑在地震作用下倒塌， 随之导致道路阻塞。

3.3 抗震结构方案可行性的原则

在建筑结构体系的设计中， 需要充分考虑到抗震设防类别、 建筑高度、 建筑建设现场的场地条件等，从安全性、 技术可行性、 经济效益性多个方面做对比分析， 确定最为合适的建筑结构体系。 作为一项优质的建筑结构体系设计方案， 其需要有简明的地震作用传递路径， 要求建成的结构体系具备足够的抗震承载力以及消耗地震能量的功能， 确保在局部构件出现异常后建筑整体仍具备抗震能力。 而针对建筑结构的薄弱部位， 则需加强抗震设计。

3.4 非结构构件妥善处理的原则

建筑非结构构件包含框架填充墙、 楼梯踏步板等， 对于此类结构构件， 在结构分析中不考虑重力荷载及风、 地震等侧力荷载对其产生的影响。 但部分结构较为特殊， 例如内墙壁， 若建筑所在地区发生地震灾害， 此时此类构件也将参与工作（仅仅是参与的程度不同而已）， 结构的刚度、 承载力可能发生变化，既有可能由于此类构件的参与而取得突出的抗震效果， 又有可能出现严重的局部震害， 即出现两种极端现象。 由此看来， 需要在建筑结构抗震设计中充分关注到此类非结构构件， 妥善设计， 最大限度减轻震害。

3.5 建筑结构抗震设计的一般规定

1） 对于竖向和平面均不规则的结构， 其适用的最大高度需适当降低， 若建筑建设在Ⅳ类场地， 也有必要降低最大高度， 以保证建筑结构在地震时的稳定性。

2） 钢筋混凝土建筑的抗震等级需合理， 具体根据结构类型、 烈度、 房屋高度而定。

3） 抗震等级的确定是建筑工程结构设计中的重点内容。 对于框架-抗震墙结构而言， 若框架可承受的地震倾覆力矩超过结构总地震倾覆力矩的1/2， 则根据框架结构特点合理设定抗震等级。 在裙房与主楼相连的结构布置方式下， 不应低于主楼的抗震等级。裙房与主楼分离布置时， 按裙房本身确定合适的抗震等级， 使裙房在遇到特定等级的地震灾害后仍有足够的稳定性。 地下室顶板兼并作为上部结构的嵌固部位时， 则根据上部结构的设计情况确定地下一层的抗震等级， 要求两者保持一致， 地下一层以下的部分可采用三级或更低等级。 建筑抗震设防类别为甲、 乙、丁类时， 着重参考抗震设防标准， 以此来确定适宜的抗震等级。 需注意的是8 度乙类建筑高度超规定的情况， 此时需要加强技术研究， 较为合适的是采取比一级更有效的抗震措施。

原油组分与CO2的MMP变化与包裹相CO2的表面张力大小相关。在相同温度、压力条件下，原油中同族烃类/CO2体系的平衡表面张力随着碳数的增加而逐渐增大，增加幅度相近。通过对数据点的拟合分析，随着压力的升高，表面张力呈线性关系下降(见图3～图5)。

4） 若为高层混凝土房屋， 考虑到其在地震作用下的稳定性要求， 避免采用规定的不规则建筑结构方案。

4 抗震计算

建筑工程结构的抗震设计按流程有序完成， 具体包含地震作用计算和结构抗震变形验算两大关键环节， 具体做如下几点分析。

4.1 地震作用计算

建筑结构抗震设计中考虑抗侧力构件， 要求此类构件在建设成型后可有效抵御各方向的水平地震作用， 且相交角度超15°时， 需确定抗侧力构件方向水平地震作用。 根据结构的质量与刚度分布特点加以分析， 若不具备对称分布的条件， 则还需充分考虑到双向水平地震作用下的扭转影响。 结构抗震计算方法的选取至关重要， 应用较为广泛的有底部剪力和振型解反应谱， 必要时可在该基础上辅助应用时程分析法，例如尤为不规则的高层建筑， 在其结构抗震设计中则需考虑到时程分析法的有效应用。

在采用抗震计算方法时， 视实际情况做灵活的选择： 高度未超40m、 以剪切变形为主、 质量与刚度沿高度方向均匀分布时， 可以考虑采用底部剪力等简化方法； 而对于场地内限定范围的高层建筑， 或是甲类、 烈度不规则建筑， 此时可以辅助应用到时程分析法， 进行合理的设计。

4.2 结构抗震变形验算

对于多遇地震的工程条件， 在验算楼层内最大弹性层间位移时， 需满足如下要求。

ΔU e≤[Qe]h

此外， 还考虑到罕遇地震下的抗震变形验算， 若有如下几种结构， 均有必要安排弹塑性变形验算： 7～9 度时楼层屈服强度系数未超过0.5 的框架结构；高度达到150m及以上的钢结构等。 而对于如下几种结构， 则有必要安排弹塑性变形验算： 7 度Ⅲ、 Ⅳ类场地与8 度时乙类建筑的钢筋混凝土板柱、 抗震墙； 场地内限定高度范围的高层建筑等。

5 建筑结构抗震设计的具体要点

5.1 水平荷载的设计

在建筑结构的抗震设计中， 水平荷载主要包含风荷载和水平地震作用。 有效控制水平荷载对于提高结构抗震性能而言有重要的意义， 关键原因在于： 1）由于重力荷载和水平荷载的共同作用， 将导致建筑同时存在轴力、 剪力、 弯矩， 此类力的作用易破坏建筑结构的稳定性， 导致其在地震作用下受损、 倒塌； 2）由于水平荷载的作用， 建筑结构存在弯矩， 也将影响建筑结构的稳定性。

5.2 侧向位移控制

侧向位移控制也是建筑结构抗震设计中的重点内容。 纵观建筑行业发展状况， 可知建筑具有高层化、 规模化的变化趋势， 此时将明显加大侧向位移的控制难度。 若建筑工程结构抗震设计和施工中未有效控制侧向位移幅度， 将严重威胁到建筑结构的稳定性， 严重时甚至有墙面开裂、 倒塌等异常状况， 造成大范围的不良影响。 可见， 设计人员需密切关注侧向位移， 在设计阶段便予以有效的控制。

5.3 建筑工程抗震结构设计的具体方法

1） 密切关注建设场地和现场环境。 在建筑工程结构抗震设计中， 需考虑到地震作用下建筑结构的稳定性， 以免由于地震的出现而威胁到人员的人身安全。 其中， 建筑选址尤为关键， 需避开不利地段， 若由于条件限制而无法避开， 则需采取针对性的应对措施， 以抵御不良地质条件的影响。 在建筑场地选址中， 需要尽可能地减小地震时的地震力， 以免建筑物在地震波的作用下而发生异常。

2） 注重对结构设计方案的优化。 从既有的设计方案出发， 做深度的优化， 此举对于提高建筑物的抗震性能而言有重要意义。 在结构设计方案的优化中，需要注重的是建筑延性， 即指的是在地震灾害下结构有足够的变形能力， 以便用于消耗地震力， 从而避免建筑出现严重受损、 倒塌的异常状况。 在结构设计中， 还需注重竖向、 水平方向的受力特点， 富有针对性地设计建筑结构， 保证各方向受力的合理性， 使建成的建筑有足够的抗震性能。

3） 建筑延性系数设计。 通过建筑约束箍筋的应用， 来提高建筑混凝土结构的工程性能， 确保其能够有效承受极限压应变。 在建筑延性设计中， 需要着重围绕建筑结构延性、 构件延性、 截面延性开展针对性的设计工作。 其中， 结构延性的设计需要重点考虑的是顶点位移延性和层间位移延性， 具体如图1 所示； 构件延性设计时的重点考虑对象为截面延性、 塑性铰区长度等， 尽可能做系统性的设计； 截面延性设计时也涉及到诸多因素， 包含混凝土强度、 纵筋含钢率、 轴压比等。 简言之， 无论何种延性设计， 均要关注到影响延性的具体因素， 做系统性的分析， 予以有效的协调， 尽可能保证延性设计的可行性。

图1 延性曲线

4） 加强抗震验算。 在设防烈度下， 建筑结构应进入弹塑性状态。 构件截面抗震验算所需考虑的关键参数包含非抗震承载力设计值、 承载力抗震调整系数， 做全面的分析， 较为合适的方法是将地震作用效应值乘以抗震调整系数。 按照该方法加强抗震验算后， 可以有效提高建筑抗震设计的可行性， 确保建筑的抗震设计效果能够达到要求。

5） 联合设立多道抗震防线。 为充分发挥出抗震结构体系的抗震性能， 有必要设多道抗震防线， 共同应用各类具有较好延性的分体系， 集多部分优势于一体， 共同参与到抗震工作中。 其中， 框架-抗震墙体系则较为典型， 其包含抗震墙和延性框架， 通过两者的共同应用， 可有效增强抗震效果。 结合建筑结构特点， 建立规律分布的屈服区， 充分发挥出建筑结构在吸收地震能量方面的作用， 尽可能减小地震造成的不良影响。 根据规律， 若建筑基本周期和地震卓越周期趋近， 则均可以有效发挥出冗余设计的功能。 同时， 在联合应用多道抗震防线后， 能够增强整个抗震体系的可靠性， 即便某一道的抗震防线受损， 其余的各道防线可及时发挥出作用， 保证建筑的稳定性和完整性， 减轻地震对建筑结构的不良影响。

6） 基于能力谱方法的抗震设计。 基本前提是建立地震反应谱曲线和建筑结构能力谱曲线， 对两者做叠加处理， 从而评估在地震作用下建筑结构的反应特性。 为此， 首先需要明确的是反应谱和能力谱的具体概念， 前者指的是单自由度体系在特定地震输入时的加速度谱， 后者指的是等效单自由度体系的加速度和位移的关系曲线。 能力谱法的核心内容在于基于承载力的设计方法加位移、 变形的能力校核。 地震动瞬时能量对结构最大位移反应有着显著的影响， 甚至起到一定程度上的决定性作用， 但若要构建完善的有效建筑抗震设计框架并非易事， 其还需考虑到方方面面，做深入的探索极具必要性。

7） 加强结构的抗震措施及抗震构造措施。 抗震措施是除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容， 包括抗震构造措施。 抗震构造措施是依据抗震概念设计原则， 一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采用的各种细部要求。 提高抗震措施着眼于保证薄弱部位的安全， 比如内力调整（强柱弱梁、 强剪弱弯、 强肢弱梁） 都是这种出发点； 提高抗震构造措施则在不牵涉计算和调整前提下， 对上述薄弱部位人为加大钢筋用量， 是一种简单化做法。 提高抗震措施， 则抗震构造措施也提高。 故此加强结构抗震措施及抗震构造措施可以加强结构的整体性， 保证抗震目标的实现， 弥补抗震计算的不足。

8） 妥善协调刚度和承载力分布， 同时加强对延性的设计。 在建筑结构抗震设计中， 要求结构构件具备突出的力学性能优势， 例如较高的承载能力和刚度， 而分析发现， 两者具有相关性， 即随着建筑结构刚度的增加， 所具备的承载能力随之增强。 根据该规律， 在设计中若增加结构构件的承载力， 则有利于减轻地震对结构构件的屈服程度， 在此关系下， 对构件延性的要求有所降低， 但与之相矛盾的是建筑工程成本有所提高。 因此， 在确保建筑抗震结构具有可靠性的同时， 还需注重成本控制方面的需求， 建立经济高效的抗震结构体系， 确保在地震作用下建筑结构仍具备足够的抗倒塌能力， 合理的状态应当是通过延性耗散地震能量， 减轻地震对建筑结构造成的不良影响，以免出现建筑结构倒塌的异常状况。 同时， 在建立经济高效的抗震结构体系后， 还可减少建筑的建设成本投入， 保证建筑工程有足够的经济效益。

6 结语

地震是一类突发式的自然灾害， 地震的发生易破坏建筑的稳定状态， 进而由于建筑异常而威胁到人员的人身财产安全。 为此， 在建筑工程中， 设计单位需要高度重视建筑结构抗震设计工作， 加强参数分析、结构优化等， 通过多项措施的有效落实， 切实提高建筑结构的抗震性能， 使其在遇到地震时仍有足够的稳定性， 最大限度减小因地震所造成的不良影响。