提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法江波

提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法江波

江波

桂林市建筑设计研究院广西桂林市541002

摘要：地震是一种常见的自然灾害，威胁着人民生命财产的安全和国家经济的发展，地震灾害大部分为建筑物倒塌所致，因而建筑结构抗震能力的提高，成为建筑工程建设的一个重要任务。建筑物在地震中所遭受的损害程度，可以通过提高建筑物的抗地震倒塌能力来相应地减少。

关键词：建筑物结构；抗震倒塌能力；思想和方法

前言：地震作用效应时间很短，但是影响力极大，且具有突发性和不可预见性。地震能量根据传播方式可分为三种类型：纵波、横波、及二者组合的混合波。纵波使地面上下震动，对于建筑物本身的影响较小，而横波和混合波所产生的水平震动会严重震荡建筑本身，导致建筑结构失稳，是造成建筑物破坏的主要原因。因此根据地震作用的基本原理，掌握建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法，明确提高建筑抗震能力的要点，是提升建筑物的结构稳定性和抗震能力的关键。

一、建筑结构抗震倒塌能力概念设计的思想

由于地震是一种随机的地壳运动，其作用机理及破坏过程十分复杂，根据目前的科技水平，我们尚且难以准确把握和预测地震的发生；此外，我们也无法将结构的空间作用、材料性能、阻尼变化等因素准确考虑到结构分析中去，若单独依靠计算难以保证建筑结构抗地震倒塌能力完全满足抗震要求。

根据目前国内外工程界对地震灾害的分析，注重建筑结构抗震能力的概念设计，可极大提高建筑结构抗地震倒塌能力。建筑结构抗震能力的概念设计是由已有地震灾害和工程经验所形成的基本设计原则和思想，对结构体系、建筑形体、刚度分布、构造延性、能量耗散等多个方面进行分析和设计，从根本上消除建筑的抗震薄弱环节。抗震概念设计思想应以“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”为原则，抗震措施（包括抗震构造措施）为方法提高建筑物的抗地震倒塌能力。在设计中

对于建筑结构的体系而言，建筑结构抗震倒塌能力就是保证建筑遇到强震也会保持一定的形态而不至于倒塌或者连续倒塌，所以要实现抗倒塌就必须从整体来考虑结构设计。运用概念设计来调整建筑整体结构的屈服机制，明确其破坏模式和倒塌机制，进而在结构设计中确定不同构件的主次和承载能力等，从而实现对抗震倒塌能力的提高。

二、合理的结构体系

目前常见的建筑结构类型有砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构、筒体结构等。砖混结构是由块体和砂浆砌筑而成的墙或柱，材料造价低，但砖混结构的材料和连接方式决定了其延性较差，变形能力较小，在强烈地震作用下，易于发生脆性的剪切破坏，房屋的抗震性能差；框架结构由梁柱构成，构件截面较小，空间大，房间平面布置较灵活，但框架结构的承载力和刚度都较低，抗震性能较差；剪力墙结构是用钢筋混凝土墙代替框架结构中的梁柱，结构抗侧刚度较大，有非常强的抗倒塌能力。框架-剪力墙结构是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合，综合二者的长处，既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能。

由此可见，各种结构的建筑其耐久性、抗震性、安全性和空间使用性能是不同的。工程师应结合建筑结构自身特点，充分考虑建筑抗震设防类别、抗震设防高度、建筑高度、结构材料、造价、施工等因素，选择最合理的结构体系来进行建设。例如位于地震烈度较低区域的多层砌体结构，若房屋结构规则且整体布置合理，并采用采用构造柱、圈梁及其它拉结等构造措施以提高其延性和抗倒塌能力，也可满足建筑结构抗地震倒塌能力的需求。在设计过程中，要依据建筑的实际功能用途、高度及抗震要求等多方面因素选择经济合理且安全的结构体系。

三、合理结构构件布置

建筑结构受力构件的布置也与建筑本身的抗地震倒塌能力相关。对于墙柱等竖向抗侧力构件，平面布置宜规则、对称，结构在两个主轴方向的动力特征宜相近，例如，抗侧刚度很大的钢筋混凝土墙体和核芯筒的平面位置应居中、对称，抗震墙宜沿房屋周边布置，增强结构抗扭刚度和抗倾覆能力；此外，结构的侧向刚度变化应均匀，竖向受力构件的截面尺寸和材料强度宜分别自下而上逐步减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

四、选择有利的抗震建筑场地及加强基础设计

在建筑结构设计的过程中，我们要对建筑的场地类别给予足够的重视，尽量避免在不利及危险地段开展工程建设。汶川地震的破坏威力如此之大，其主要原因是由于汶川位于龙门山断裂带内，属地震危险地段，在地震时极易发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等次生地质灾害。不同性质的地形条件与场地土对地震的影响是也不相同，由此可见选择选择有利的抗震建筑场地对建筑物的抗震倒塌能力有很大的提高。

基础设计的抗震思想主要有以下几个方面：首先，同一建筑单元内尽量避免采用多种基础的类型；且不宜设置在性质不同的地基上，避免出现较大的基础沉降，从而加强其整体的刚性。其次，建筑物基础的埋深不宜过浅，当建筑物基础埋置深度增加时，地基土对建筑物的嵌固作用也有所增强；做好基槽回填和夯实，也可使地基土与基础侧面紧密接触，在地震作用下，建筑物的振幅可有效减小，减轻震害。最后，加强基础和上部结构的整体连接，例如基础在室内地坪增设内外交圈的基础圈梁，上部结构的构造柱钢筋锚入圈梁使构造柱与地面下圈梁连接牢固等有效措施。

三、设置多道抗震倒塌防线

地震灾害会释放极大的能量，建筑结构为了快速分散和吸收这些能量就需要合理布局，并形成具有多道抗震防线的结构体系，使结构具有良好的吸能能力，利用赘余杆件的屈服和弹塑性变形来消耗尽可能多的地震输入能量。具有多道抗震防线的结构体系是由多个分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，如框架一抗震墙体系是由延性框架和抗震墙两个分系统组成；双肢或多肢抗震墙体系由若十个单肢墙分系统组成。在强烈的地震袭击下，建筑结构的第一道防线的抗侧移构件遭到破坏后，第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震波的冲击，保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。

结束语：

建筑工程设计中结构抗地震倒塌能力直接决定了地震灾害发生时所造成的损失大小，提高建筑工程结构设计中的抗地震倒塌能力，是主动防震减灾的先决条件和重要环节，结构设计工程师应从提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法出发，不断创新学习，减少地震给国家和人民带来的损失。

参考文献：

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[2]施炜，叶列平，陆新征，唐代远.不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究.工程力学，2011（03）：41-48.

[3]林旭川，陆新征，叶列平.砌体结构的地震倒塌模拟与分析.汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告，2010.