现代建筑中的抗震设计策略研究

现代建筑中的抗震设计策略研究

郑星

陕西省建筑设计研究院（集团）有限公司   陕西省  西安市  710000

摘要：在地震活动频繁的情况下，现代建筑抗震设计策略就变得格外关键。该研究深入探究地震作用下建筑的损伤机理，并对影响建筑抗震性能的诸多因素进行剖析。基于此，本文深入探讨了如何选择和优化结构系统，涵盖了框架结构、剪力墙结构、框架与剪力墙的组合方式以及框架与核心筒的结合方式。同时对材料和构造方面的创新发展进行了展望，包括高性能混凝土，隔震支座，消能器和粘弹性阻尼器。并对抗震设计方法进展进行综述，主要集中在性能基础设计，非线性时程分析和基于性能抗震设计等方面。这几种策略与方法的结合使用大大提高了建筑抗震安全性与功能性。

关键词：地震破坏机制；抗震性能；结构系统优化

1.地震对现代建筑物的影响

1.1 地震对建筑物的破坏机制

地震作用于建筑物会产生即时或者长期的效应，主要表现为结构损伤，功能失效乃至彻底倒塌等。建筑物在设计，建造，使用寿命等方面均有可能面临上述冲击带来的挑战。建筑物基础与结构承载体系在地震波作用下会发生复杂动力反应，其引起的位移，变形及应力集中等都有可能使构件发生破裂或者连接部位发生破坏。在地震发生后，建筑物即使没有倒塌，由于破坏程度太大，仍有可能不能维修和继续投入使用。

1.2 影响建筑物抗震性能的因素

地震触发基础加速度将在结构中传递并引起多种动态响应。地震波非同步性导致建筑物某些结构既可能受拉伸又可能受压缩，进而引起内力分布差异。另外，建筑物自然频率，振型和质量分布等因素也会对地震作用下的反应行为产生影响。就拿较长周期的建筑物来说吧，这些建筑物在地震作用下可能会发生大位移、大摇摆。地震破坏机制又包括基础因地面运动而液化，各部件之间的撞击，楼层之间因惯性力而错层等。

2.现代建筑抗震设计策略

2.1 结构系统的选择与优化

2.1.1 框架结构

现代建筑抗震设计中框架结构因具有柔性好、延性好等优点而得到广泛应用。该类结构可通过梁，柱弹塑性变形吸收耗散地震能量。设计策略一般包括采用高强度材料，充分横向支撑，增强抗震性。通过对框架中节点的精心设计，保证了极端地震时这些连接点不变成薄弱环节。另外，还引入了能量耗散装置、减震支座及其他设施以进一步提高结构抗震能力。布置时，遵循规则性原则，降低结构扭转效应，并同时对梁柱尺寸进行优化，平衡强度与刚度分布，进而增强整体抗震性能。

2.1.2 剪力墙结构

剪力墙结构由于具有高刚度、强度等优点，尤其适用于高层建筑抗震设计。该结构由墙体承受水平荷载并减小建筑物侧向位移。其设计策略主要有：在建筑物合理部位设置足够厚与高的剪力墙来构成有效抗弯抗剪体系。同时通过合适的配筋设计加强墙体延性保证其在地震作用下不会出现脆性破坏。利用优化后的开洞位置及大小来降低结构完整性受到的影响。另外，在设计时需要考虑墙体等结构元素之间细部联系，以保证整体力学行为统一和抗震能力增强。

2.1.3 框架-剪力墙组合结构

框架-剪力墙联合结构充分发挥框架柔性与剪力墙刚性相结合的特点，是抵抗地震作用的有力结构。在这种设计策略下，框架承受一部分重力荷载，剪力墙则以水平地震力作用为主。合理布置剪力墙可有效地控制其侧向位移及扭转响应。设计中也需要考虑框架与剪力墙的共同作用，以保证地震作用下协同工作而非竞争。该策略也包括利用非线性分析对整体结构动态响应进行评价，同时利用高性能材料及精细化施工技术来改善结构整体耐震性。

2.1.4 框架-核心筒结构

框架-核心筒结构作为高层建筑常用抗震设计方法之一，其核心筒为其提供了一种刚度较大的垂直支撑系统。核心筒一般采用厚剪力墙或者填充墙，以电梯井和楼梯间为中心布置服务空间。设计策略重点是对核心筒进行优化以作为地震作用下的主要抗侧力要素，而框架部分则提供了所需的柔性与冗余。通过围绕核心筒进行合理开口设计，保证了结构通风与照明要求，又使其抗震性能影响达到最小。选材时，一般使用高强度混凝土来确保核心筒整体性及耐久性。

2.2 材料与构造的创新

2.2.1 高性能混凝土

在地震防护设计的材料创新领域，高性能混凝土（HPC）因其出色的机械特性和持久的耐用性而被视为关键选择。设计策略涉及通过低水胶比、加入高活性掺合料等优化混合比例以改善其抗压强度、抗裂性等。采用HPC减小结构截面尺寸和减轻建筑自重又缓解地震力作用。同时高延性HPC在地震加载过程中能经受更大变形且不会产生损伤，提高结构抗震安全储备。

2.2.2 隔震支座与消能器

现代建筑抗震设计时，使用隔震支座与消能器对增强结构抗震能力行之有效。该策略重点是利用隔震支座使超结构从地基中分离出来，使地震能量无法直接传递到上部结构中去，使建筑物反应明显减小。隔震支座设计的关键是材料选择与尺寸计算以保证在地震中提供充分的变形能力。同时，应用消能器可附加吸收耗散地震能量并降低结构内力。在设计过程中，我们需要合理地配置消能器，并对其功能进行精确的评估，确保在各种震级条件下都能有效工作。

2.2.3 粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器是一种高效减震元件，它的设计策略是利用物质的粘弹性特性消耗结构动能。这类阻尼器用于建筑时通常着眼于提供持续稳定阻尼力来降低地震产生的震动。在设计中，粘弹性阻尼器需根据建筑物质量，刚度及期望地震动特性定制。调整好它们的位置和布置是确保最大效能发挥的重点，一般布置于结构中梁柱节点，楼板和墙体连接处及其他重要部位。

2.3 抗震设计方法的发展

2.3.1 性能基础设计

在抗震设计的领域中，性能基础设计的出现是一个显著的趋势，核心思想是根据建筑的实际使用需求和业主的期望来确定抗震性能的目标。其设计策略已不仅仅是为了满足最小安全要求而关注不同地震震级建筑结构功能分类防护。设计团队经过细致的评估后，确定了结构在频繁地震，罕见地震乃至极限地震作用下所能承受的破坏范围，根据这些破坏范围拟定设计参数。该方法需要考虑建筑物使用寿命，维护成本和历史价值诸多因素，以保证经济性和安全性兼顾。

2.3.2 非线性时程分析

非线性时程分析是一种高级数值模拟工具，对抗震设计起着举足轻重的作用。分析方法能较好地模拟实际地震作用下结构非线性行为，主要表现为裂缝形成，塑性铰出现和材料损伤积累等。设计师应用该方法可预测出强震下的结构详细反应，继而对结构系统及构件尺寸进行优化。从策略角度看，设计团队需要准备一个精确的结构模型，这包括构件的几何形态、材料属性，以及与结构行为有关的非线性特点。通过迭代计算可以使设计师对不同设计方案进行性能评估并筛选出最优方案，使其达到预定性能目标。采用非线性时程分析使抗震设计更加准确可靠。

2.3.3 基于性能的抗震设计

粘弹性阻尼器的设计策略是利用物质的粘弹性特性消耗结构动能。这类阻尼器用于建筑时通常着眼于提供持续稳定阻尼力来降低地震产生的震动。设计策略侧重于设定特定性能目标和通过对结构可能破坏模式进行分析。PBEE方法特别强调了进行风险评估的必要性，这包括对可能出现的损失进行预测，以及对生命和财产损失进行有效控制。在设计时，必须定量地分析结构的要求，潜在风险及可能产生的经济影响，以保证设计方案合理，经济效益好。

结束语

地震的挑战推动了建筑抗震设计的创新。通过对结构系统进行全面选择和优化，对材料和构造进行创新运用，并对抗震设计方法进行不断开发，可以使现代建筑更加有效应对地震威胁。强调抗震设计策略要想顺利实施，既要跨学科配合，又要工程师们对新技术、新方法不断地研究与变通。唯有如此，才能够保证建筑在未来面临地震情况下的安全性和稳定性。

参考文献

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