建立建筑结构抗震概念设计基本原则及要求

建立建筑结构抗震概念设计基本原则及要求

林文哲

广州大学土木工程学院 510006

摘要：强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。地震中建筑物的大量破坏与倒塌，是造成地震灾害的直接原因。因此，研究更加安全、经济、可靠的结构新体系是工程结构抗震领域的主要课题，对有效地减轻地震灾害有重要的现实意义。

关键词：建筑结构；抗震设计；要求；重点探析

一、抗震设计在建筑结构中的内涵

追溯我国结构计算理论的发展起源，从经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算一直到现代社会广泛使用的概率极限状态理论，都表现出人类的发明创造潜能是无穷的。现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001) 的中心理论基础是概率理论，总结出更加完善的结构极限状态设计准则，要求建筑结构的设计必须符合技术先进、经济合理、安全适用的原则。总体来说，虽然新标准相对比较合理科学，但是概率极限状态设计法还不够完善，只能进行近似算法，不能对建筑物的实际承载力做准确的估算。总体来说，建筑物不是一个独立体，属于空间结构，它是各种部件的结合体，而且这些部件协同工作，维持其正常功能。

地震不是人们所能控制和把握的，其本身带有的随机性、不确定性和复杂性给准确预测地震破环建筑物的相关参数造成了很大的挑战，很难得到准确的实际信息。建筑物的部件之间相互联系，在受到破坏后将会复杂化也是很难准确针对修复的。从结构的角度来进行分析，建筑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等方面也很难准确把握，有很高的不确定性，所以，“计算设计”本身也存在缺陷，不能解决目前所遇到的发展难题。依据人类长期发展过程中总结的理论和实际抗震建设工作中得到的经验规律，可以基本上得出工程抗震基本概念设计的内容，由目前所得到的知识来更加深入透彻的研究总结建筑结构的总体地震所呈现出的反应，查看破坏情况，尝试总结破坏规律情况，按照得出的抗震设计准则，科学完善地设计出对应的解决方案，一方面保证了总体布置所遵循的大原则，也保障了重要部位的细节性构造，从根本上改善了结构的抗震能力。

二、建筑结构抗震设计的基本要求

（一）选择对抗震有利的场地

在对建筑结构进行设计的时候，应该依据工程的需要，掌握工程地质的相关资料和地震的活动情况，进行综合性的评价。适宜选择相对开阔平坦、均匀密实的中硬土或者是坚硬土等有利的地段；避开一些液化土、软弱土、边坡边缘和河岸，平面分布上的状态、成因、岩性等明显存在不均匀情况的土层等等不利的地段；同一个结构单元不适合设在性质完全不同的地基土上，也不适合部分采用桩基，部分采用天然的地基，当地基有液化土、软弱粘性土、严重不均匀的土层或者是新近的土层时，应该加强基础的刚度和整体性。

（二）布置合理的平立面

建筑物的结构布置和建筑布局在很大程度上决定了建筑物的动力性能。建筑结构的布置基本符合了抗震的原则，建筑布局做到合理简单，就能确保房屋具备优良的抗震性能。另外，建筑物的平立面应该布置的对称、规则，在刚度和质量方面的变化要均匀，避免楼层错层的现象。对于体形相对比较复杂的建筑物应该设置合理的变形缝，在对其进行结构设计时应该进行内力调整和水平地震作用的计算，并且应该对相对比较薄弱的环节利用有效的抗震构造的相关措施，对建筑物的高宽比和高度进行严格的控制。

（三）结构的选型和布置

对结构进行选型因该依据建筑的设防烈度、场基、房屋高度、材料、基础、场地、建筑的重要性和施工等方面的因素，经过经济和技术的条件来进行比较和综合确定。如果仅从抗震的角度来考虑，一种相对较好的结构形式应该具备以下的性能：①较大的延性系数；②强度/重力的比值较大；③较好的匀质性；④正交各向同性；⑤连续性、整体性的构件连接，并且能够发挥材料全部的强度。在进行结构布置时应该遵循以下几个原则：①平面布置应该尽量做到对称，这样能够是构件各个部位的力分配相对均匀；②竖向布置应该尽量做到均匀，使其强度与竖向的刚度变化相对均匀，避免薄弱层的出现，并且尽量降低房屋的重心。

（四）设置多道抗震的防线

设置多道抗震的防线就是人为地对某些竖向的抗侧力结构进行加强，提高其可靠度；并有意识地设置一些相对薄弱的环节，促使其在强烈地震的作用下退出工作。将地震动作的周期和建筑物的自振周期区分开来，在一定程度上缓解建筑物的共振现象，也就相应地减轻了地震对建筑物的破坏作用。一般情况下，设置抗震防线要遵循以下的原则：①对少负担或者是不负担重力荷载的竖向的填充墙或者是支撑进行优先选择，或者选择轴压相对较小的实墙筒体、抗震墙等构件来作为第一道防线的抗侧力的构件。②建筑物利用双重抗侧力的体系，建筑物中使用赘余杆件。当建筑物遭受强烈地震时，一方面，采用结构中使用的赘余杆件的变形和屈服来对输入的地震能量进行消耗；另一方面，利用赘余杆件的推出共醉来实现结构的周期变化，避免地震时间长、持续作用而引起的共振效应。

三、建筑结构抗震设计重点分析

（一）选取合适的建筑场地

由于地震的影响范围较大，其影响区域内的建筑物均会受到不同程度的损坏。因此，在建筑结构抗震设计时，选取合适的建筑场地对于抗震设计至关重要。首先，在建筑场地选择时，要选取地质结构坚硬、周围地势开阔等对抗震有利的区域，这样可以最大限度地减缓地震灾害发生时地基土体产生的较大程度的沉陷，以达到很好的抗震效果；其次，建筑场地尽量避开有较大坡度的山脚以及地质不均匀及地基软弱的区域；最后，尽量避免地震多发地带。

（二）建筑结构的高度设计

依据我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》规定，在进行建筑结构设计时，应综合考虑适用性、经济性的原则，并给出不同结构体系的最大适用高度，因此，在面对这些超高建筑物问题时，应采取严谨科学的态度。因为在地震灾害发生时，超高层建筑的结构变形将发生显著的变化，同时随着高度的增加，结构变形的影响因素会发生很大的变化，如延性要求、安全指标、材料性能、荷载组合系数等。

（三）材料和结构体系选择的问题

在地震多发地区，选用何种建筑材料和何种结构体系的抗震性能更好这个问题应该引起人们的关注。在我国，超过150m的高层建筑，通常采用框架筒体系、筒中筒体系、组合筒三种，同时这三种结构体系也是其他国家的高层建筑普遍采用体系类型。但在国外地震多发地区，主要以钢结构为主要建筑材料，而我国90%的高层建筑结构采用钢筋混凝土材料和混合类型结构体系。在材料的选购上我们应该采购保质保量的建筑材料。

（四）轴压比和短柱设计

在建筑结构抗震设计中，为了提高结构的抗震性，需要减小柱的轴压比，增大柱的截面尺寸。减小柱轴压比的主要目的是为了使柱子处于大偏心受压状态，避免纵向受力钢筋未达到受拉屈服而混凝土却被压碎的情况发生。由于柱的刚性强度比较高，使得整体结构的延性就差，当发生地震灾害时，结构吸收地震能量和耗散能量就少，使得结构很容易发生破坏。

（五）选取合适的基础形式

在建筑基础施工以前，需要选择合理的基础类型以提高建筑结构的抗震稳定性：建筑物的结构体系类型及荷载的大小情况决定基础的形式，上部结构传递的荷载越大，则要求选择基础时具有足够大的承载能力和刚度。不同的结构对于地基的变形和沉降的要求不同。

四、结论

在进行建筑结构抗震设计时，需要全面地考虑建筑结构布局的合理性、规则性、地基情况和连续性设计等，同时还要考虑建筑材料的选用，选择最优化的建筑结构设计方案。

参考文献

[1]戴金华，韩小雷，林生逸.基于性能的钢筋混凝土建筑结构抗震设计方法[J].土木工程学报，2019，05:1-5.

[2]汪梦甫，周锡元.基于性能的建筑结构抗震设计[J].建筑结构，2019，03:59-61.