建筑结构抗震设计的技术要点探析

王 昊

浙江绿建建筑设计有限公司 浙江 温州 325000

地震灾害导致的死亡人数十分惊人，几乎占到了全球死亡人数的二分之一，地震灾难不仅造成了经济上的巨大损失，更给人民群众造成了无法挽回的精神上的创伤。在过去的很长一段时间里，建筑设计和施工的侧重点都集中在了高层建筑结构的抗震设计上。要使工程的建设能够切实地减少或者避免地震造成的破坏，关键是要把好的抗震设计以及隔振技术把握好。因此，相关工作人员必须深入了解建筑结构抗震设计以及隔振技术的关键问题，并有相应的应对策略。

1 建筑结构抗震设计要点

1.1 场地选择

建筑结构抗震设计要点中，最基础的就是对建筑场地进行选择。《建筑抗震设计规范》作为强条明确指出：选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价、对不利地段、应提出避开要求；当无法避开时应采用有效的措施。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。房屋建筑是人们工作、学习和生活的场所，而在城镇化的过程中，房屋建筑中的人和物也越来越多，这也使得房屋建筑在强震中的损失也越来越大[1]。我国的地震种类繁多，如何提高房屋结构的抗震性能，是一个迫切需要解决的问题。当地震来临时，建筑的主要结构将受到很大的破坏。在地震发生时，产生的地壳移动会对建筑物造成直接的破坏。因此，要想采取有效的防震对策，就必须对建筑物的位置进行慎重地选取。对建筑物所处位置的选取，宜选用抗震能力比较强的地质环境。比如，在地震中，开阔的土地非常便于人们避难。再比如，坚固的土地在地震时，只会产生比较轻微的沉陷，从而降低了建筑物倒塌的概率。在较硬的土质地区，被盖层较薄，建筑物所受到的地震影响较小，反之则较大[2]。因此，要避免在地质疏松或液化现象明显的河岸、山坡地带的边缘地区建造房屋。因为一旦发生地震，在地质现象的作用下，房屋会迅速下沉，很可能导致房屋倒塌。如果不能避开，就必须对建筑物自身强化抗震设计。

1.2 地基设计

建筑结构抗震设计要点中，最关键的就是对建筑地基进行设计。近年来频繁发生的地震事件，使得人们对建筑物的抗震性能提出了更高的要求，高抗震性能的建筑物将成为未来建筑市场的主流。建筑结构的抗震设计方法之一就是对地基进行设计[3]。为保证建筑结构的整体刚性，提高建筑的抗震性能，在建筑基础设计时，尽量避免同一单元的建筑不得建立在两种不同的地基之上，且埋设深度应满足承载力、变形和稳定性要求，《地基基础技术设计规范》明确表示：在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱型和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑高度的1/15，桩箱或桩筏基础的埋深（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18，如果埋置深度太浅，则会降低建筑结构的嵌固作用，在地震时，建筑结构振动幅度很大，极易滑移倒塌。因此，在进行建筑物基础设计时，应满足规范要求前提下尽量增加埋置深度，以增强建筑物地基的稳定性。

1.3 抗震结构设计

建筑结构抗震设计中，主要分两个方向进行设计，第一是严格按照国家标准《建筑抗震设计规范》的要求，对建筑的抗震进行设计，通过结构布局和体系合理，传力途径明确，薄弱部位加强，同时设计中考虑“强剪弱弯，墙柱弱梁”的原则使其达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的效果。第二就是采用隔振设计，随着《建筑隔震设计标准》从2121年9月1日执行，国家也逐渐注重建筑的隔震设计，目前也越来越多的建筑开始采用隔振设计，特别是一些抗震设防等级高的建筑，比如云南省的青少年科技中心，安阳市肿瘤医院新院区等等均采用隔振设计[4]。当然隔振技术也不是最近才采用，自古以来，就被广泛应用，且效果显著，例如：山西浑源悬空寺建于北魏后期（公元500年)，整个建筑物的一面“悬支”在翠屏峰的半山陡壁上、下临深谷，而建筑物的另一面则支承在斜撑立柱上，可以形成水平晃动、整个建筑物尤如一个“隔震结构”。1000多年来经历数次大地震，始终完好无损[5]。

1.4 布局设计

建筑结构抗震设计要点中，最重要的就是对建筑布局进行设计。在《建筑抗震设计规范》中也明确指出建筑物的规则性和结构体系的优越性。随着社会发展和人类的进步，人们对审美的要求也逐渐的变化，各种奇形怪状的建筑形式也雨后春笋版的出现，对抗震的影响极其不利，造价也极高。因此，在建筑结构抗震设计中，首先要对建筑布局进行设计，既要保证建筑的美观和舒适性，又能形成完整的优越的结构体系，才能降低地震对建筑物的破坏[6]。世界上很多完美的建筑，都是既美观，又采用合理的受力体力，比如美国纽约的地标之一“美国世茂大厦”：世贸大厦中心双塔采用创新的钢框架套筒结构体系设计，通过水平楼层桁架将外围支撑结构与中央核心结构连接在一起，这种设计让建筑具有非凡的抗震和抗风能力；再比如北京CBD核心区Z15地块中国尊大楼，为满足结构抗震与抗风的技术要求，中国尊在结构上采用含有巨型柱、巨型斜撑及转换桁架的外框筒，以及含有组合钢板剪力墙的核心筒，形成内筒和外筒的双重抗侧力体系，可做到小震不坏、中震可修、大震不倒的完美效果[7]。

2 建筑结构抗震设计

2.1 防震缝设计

防震缝在建筑结构抗震设计中发挥着关键的作用。《建筑抗震设计规范》也明确指出体型复杂，平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的分析，确定考虑设置抗震缝。因此当建筑物的结构不太合理时，应在适当的地方设置防震缝[8]。在设置防震缝时，应将房屋建筑划分为彼此独立的单元结构，并在防震缝两侧预留一定的空间，防震缝的上部结构应充分分开。目前，我国在进行高层建筑的抗震设计时，一般都是采用了延性构造，即通过对建筑物的刚度进行适当地调节，使得在发生地震时，该建筑物将处于一种较大的塑性状态。在对建筑结构进行抗震设计时，应尽可能地减少地震作用，当建筑物的刚度比较小、结构不太合理时，就应设置防震缝，使得建筑物可以提高抗震能力。在发生地震时，能量就获得了消耗，减少了建筑物在地震下遭到的破坏，进而保证了建筑物的安全。另外，随着我国科技水平的不断提高，在当前的高层建筑抗震研究工作中，采用了耗能减震装置，使建筑物具有较好的抗震性能，从而达到降低地震灾害的目的。此外，在对防震缝进行设计时，应充分考虑建筑物之间的相互影响，例如地震波的传播方向、地震波的速度等。与此同时，还应对抗震设计的整体结构进行认真地分析与研究，从而确保建筑物的安全。

2.2 抗震墙设计

抗震墙设计是建筑物抗震结构设计中（特别是高层建筑）的重要部分。在高层建筑的体系中，抗震墙在框架抗震墙结构、抗震墙结构、筒体结构、板柱-抗震墙结构等等各种体系中都扮演者无与伦比的责任。在地震中，房屋倒塌的主要原因就是抗震墙出现了破坏。所以，在进行建筑结构抗震设计时，应合理规划抗震墙的布置。在抗震设计中，我们首先要根绝建筑物的类别，进行结构体型的选择，比如高层办公或酒店以大空间为准，可采用筒体或者框架抗震墙结构，高层住宅以使用功能为中心，采用剪力墙或者筒体结构，好的结构体系是抗震设防的第一步；接着就是依据建筑平面对结构进行抗震墙的布置，布置原则可根据《建筑抗震设计规范》中设计要求，比如楼梯间和电梯间已设置抗震墙、抗震墙结构四个角度宜设置抗震墙、抗震墙宜贯通全屋高度、抗震墙洞口宜上下对齐和房间过长时，刚度较大的纵向抗震墙不宜设置在房屋的端开间等等。在建筑结构中，要想降低建筑物的地震破坏程度，就必须使建筑物的横向抗震墙均匀分布于建筑物的整个平面上。具体来说，就是要对建筑的横向抗震墙进行合理的布置。为了使建筑结构在地震中更好地承受地震力，同时也为了避免由于横向抗震墙刚度过大而导致房屋发生倒塌，在设计过程中还必须要对建筑物的纵向抗震墙进行合理的布置。这样才能有效地降低房屋在地震中的破坏程度。在对建筑结构进行设计规划的同时，还要做到水平墙面和纵向墙面的均匀分布，共同承担整个建筑的重量[9]。要想做到这一点，就必须加强对建筑结构的抗震计算，计算时需要结合建筑结构的实际情况，科学、合理地进行墙体的布置，这样才能有效地降低地震对建筑结构造成的破坏。综上所述，为了使建筑物抗震设计更加合理，在进行抗震设计时应注意以下几点：首先，要确定建筑物的结构形式，以及根据建筑的使用功能对建筑物进行设防类别的分类，然后再根据不同类别的建筑物采取不同的抗震等级和制定不同的抗震措施；其次，要根据建筑结构形式制定合理的抗震墙设计方案，通过模型计算，得出最优的抗震墙设计方案；最后，在进行抗震设计时要严格按照抗震规范要求进行设计，避免由于设计不当而造成严重后果。只有这样才能有效地降低地震对建筑结构造成的破坏程度。

2.3 屋顶抗震

在建筑结构抗震设计中，很容易忽略的一点就是屋顶抗震。《建筑抗震设计规范》明确指出附着于屋顶结构的非结构构件，应与主体结构有可靠的连接和锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏水箱、消防水管、风机等重要设备。在现代，许多建筑物为了追求美观，在屋顶进行了美化装修，然而这存在着很大的安全隐患。首先，这对消防安全造成了一定的威胁，其次，它使得房屋的抗震性能大大降低。建筑物的构造质量越轻，其结构的稳定性愈好，在地震作用下所遭受的破坏越少，因而其安全程度也越高。因此，要想降低建筑物在地震中的破坏程度，必须使建筑物的各个构件都减轻一些重量。要达到减轻建筑物各个构件的重量的目的，最重要的就是减轻墙体和屋顶的重量。当墙体自身的重量较大时，房屋的抗震能力将大大下降，当地震来临时，墙体会给建筑带来较大的破坏。因此，在设计时应当对墙体的结构材料作出明确的说明。在屋顶的施工中，要尽量降低屋顶的高度，提高屋顶的坚固程度，并采用质量较轻的材料进行施工。也就是说，在设计和建造屋顶的时候，要选用质量较轻的材料，而且要尽可能避免在屋顶之上添加其他结构，因为这样会加大房顶的高度和重量，导致建筑物的高宽比的比例变大，从而对建筑的抗震性能产生不利的影响。

2.4 抗震结构选择

在建筑物结构的设计初期，必须按照《建筑抗震设防分类标准》和《建筑抗震设计规范》进行建筑物结构的抗震设计。在进行抗震设计时，既要考虑到建筑物所受的地震影响，又要减少建筑物对周边环境的破坏。建筑物的主要材料是钢筋混凝土，而地下室则采用嵌固的技术，这样就可以大大提高建筑物的抗震性能。在建筑物抗震结构设计中，抗震设计的均衡性是提高建筑物抗震作用的一个重要方面。要做到刚度和质量的均衡分配，使整个建筑物无论在平面上或各个立面上都有一种规则的感觉。当建筑物的构造比较复杂时，会产生一种质量分布不均匀的情况，当地震来临时，可能会引起建筑物的主体结构变形，从而加剧了建筑物的破坏。而当建筑物结构形状不规则、结构形式比较复杂时，在地震作用下，结构更易产生扭转，从而降低建筑物结构的抗震能力。若建筑物的主要部分不位于同一竖直平面内，则很可能在地震时产生鞭梢效应，对建筑物的抗震不利。在复杂的自然环境条件下，地震所引起的环境变化也是导致建筑结构受到多个应力作用的重要原因。因此，在进行建筑物的抗震设计时，应注重建筑物结构的整体平衡，并对建筑物结构进行合理地分配，以降低建筑物受到的多个应力作用的影响。在地震作用下，不仅存在着地质活动造成的破坏，而且还存在着空气冲击和结构载荷等多种因素的影响，这些因素对建筑工程的影响是一个复杂的问题。因此建筑物的抗震设计必须要考虑到地震所引发的其他方面的影响，保证建筑物主体结构的强度能够达到建筑标准的要求，确保建筑物的主体能够处于安全的环境之中。

3 结束语

综上所述，近年来，随着大震不断发生，中小震发生频率增加，使得建筑结构的抗震性设计受到了广泛的关注。目前，对建筑物的抗震技术、隔震性能和地震现象的研究，已经成为了建筑设计中的一个关键问题。设计人员、施工人员及其他关键技术人员，应在具体的建筑施工中，因严格按照相应的抗震规范和图集，对不同的建筑抗震措施进行探讨与实践，从而提高建筑物的抗震性能，保障人民的生命财产安全，推动国家建筑事业的迅速发展。