建筑结构抗震设计原则及设计要点分析

建筑结构抗震设计原则及设计要点分析

王超林

世纪东华建筑规划设计有限公司  河北省沧州市 061000

摘要：抗震设计的目的在于确保地震发生时建筑结构的完整性和功能的持续性,以减少生命和财产的损失。随着科学技术的进步和社会对安全性要求的提高,抗震设计的相关研究和实践已成为工程设计中的热点。尤其是在地震频发的区域,建筑结构必须遵循一系列抗震设计原则,并在设计过程中充分考虑各项关键技术。详细解读了抗震设计的基本原则,强调遵守国家标准和规范的重要性,并探讨安全性、功能性与经济性的综合考虑。在设计要点分析部分,该文深入探讨结构布局、材料选择、构件设计对抗震性能的影响。最后对抗震关键技术进行了深入剖析,包括能量耗散机制、结构连接与节点设计等,为建筑结构抗震设计提供科学合理的处理思路。

关键词：建筑结构；抗震设计；地理位置；设计要点

中图分类号：   U452     文献标识码：A

引言

   地震是自然界的一种破坏性力量,给人类造成巨大的生命伤害和财产损失。为了提高建筑物抵御地震的能力,抗震设计研究应运而生,其主要是通过优化建筑结构,减少地震对建筑物的破坏程度,保护人民的生命财产安全。对抗震设计及加固改造施工技术进行研究，通过多项措施有效提升建筑结构的抗震性能，保证建筑的安全使用。

1建筑结构抗震设计原则

1.1遵循的国家标准与规范

根据规范,建筑设计加速度系数的基本值为0.2g（g为重力加速度,取值9.8 m2/s）,响应修正系数为1.0,建筑地震影响系数依据建筑的重要性、功能类别和震害预测进行调整。进一步地,工程需参照《工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50153―2008）,确保结构在规定的使用年限内,在正常使用条件和罕遇地震作用下不发生破坏。此外,根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）（2015年版）,钢筋混凝土结构须用足够的延性设计,以确保在强震作用下能通过塑性变形耗散能量,避免脆性破坏。每项规范都提供了一个设计的基线,但在实际应用中,设计团队还应考虑结合当地的具体地质、气候条件和施工现场的实际情况,进行必要调整和优化[1]。

1.2安全性与功能性原则

在建筑结构抗震设计中,安全性与功能性是2个基本且关键的原则。安全性原则要求建筑在地震作用下,首先要保证人员生命安全不受威胁。这意味着结构在地震中必须保持整体稳定,不发生垮塌[2]。为此,设计师采用了如下设计策略：第1,增加结构的冗余性,如在关键支撑部位安装多根支柱；第2,使用超出最低标准的材料和构件,提高抗震能力；第3,引入耗能结构系统,如隔震支座和粘滞阻尼器,有效降低地震能量传递。功能性原则指建筑在地震后,除了保证不垮塌外,还必须保持关键功能的运作,尤其是医院这类公共安全建筑。对此,结构不仅要具备足够的强度和延性,还要有合理的刚度分布和良好的动力特性,以控制结构的位移和加速度响应。

1.3 经济性与可操作性原则

抗震设计还必须考虑经济性与可操作性原则。经济性原则要求在满足安全性与功能性的前提下,尽可能降低构建和维护的成本。这要求设计师在材料选择、结构系统和施工方法上进行权衡。尽管高强度材料可能提供更好的抗震性能,但其成本也相对较高,因此需要评估不同材料的性价比,找到更加经济的方案。可操作性原则强调的是设计的可施工性和后期的可维护性。

2建筑结构抗震设计要点分析

2.1合理选择结构体系

合理选择结构体系是抗震设计中的一个关键环节，其决定了建筑在面对地震时的行为和稳定性。根据建筑的高度、用途和地震烈度，设计师会选择不同的结构体系来最大限度地提高建筑的安全性。对于一般高度的住宅或办公建筑，钢筋混凝土框架结构因其较好的延性和经济性而广泛应用；剪力墙结构由于其优越的抗侧力能力，常用于高度较高或位于高地震烈度区的建筑中。框剪结构则结合了框架和剪力墙的优点，适用于需要较大开间和灵活空间布局的建筑。对于高层建筑，尤其是摩天大楼，核心筒结构提供了一个坚固的垂直支撑核心，配合外框架可以有效地控制建筑在地震中的摇摆，同时支持高层建筑复杂的动力特性需求。外框-核心筒结构进一步增强了高层建筑的整体稳定性和刚度，使其在极端地震条件下也能保持结构完整。这些选择反映了在抗震设计中需权衡建筑功能、经济效益和结构安全三者之间的关系，确保建筑既安全又实用。

2.2确保结构的延性和冗余性

   确保结构的延性和冗余性是抗震设计中至关重要的方面，这两者共同决定了建筑在遭受地震冲击时的生存能力和恢复能力。延性主要是通过设计手段使结构能在极限状态下承受较大的变形而不发生破坏，这通常通过适当配置纵向和横向的钢筋、使用足够数量的箍筋以及选择合理的梁柱尺寸来实现。这种设计不仅提高了结构的强度，更重要的是增加了塑性变形的能力，允许建筑在不垮塌的情况下吸收和耗散地震能量。冗余性则是设计中考虑到的另一个关键概念，它要求建筑的承载能力不应仅依赖单一的结构元素或路径。在抗震设计中，冗余性的实现通常意味着即使部分结构元件如某些梁、柱或墙在地震中损坏，其他部分仍然能够有效地工作，维持整个结构的稳定性。这可以通过设计多个独立的承载系统或在结构中故意增加额外的支撑元素来实现，确保在一部分结构受损时，其他部分可以接替其功能，防止整体结构的崩溃。综合延性和冗余性的设计不仅增强了结构在面对未知和不可预测的地震动作用下的稳定性，也极大地提高了人员的安全和建筑的使用寿命。这种设计策略要求细致的工程计算、专业的施工技术和严格的材料选择，以确保在实际地震发生时，建筑能够按照预定的安全标准表现。

2.3基于计算机模拟的结构优化方法

基于计算机模拟的结构优化方法是一种常用的手段，可用于改进高层建筑的抗震性能。通过建立结构的数学模型，并依据设计目标和约束条件进行仿真分析，可以找到最佳的结构方案。这些优化方法包括参数优化、拓扑优化和材料优化等。参数优化通过对结构的关键参数进行调整，来达到最佳的抗震性能。拓扑优化则通过改变结构的几何形状，以提高其刚度和稳定性。材料优化则通过选择合适的材料，以满足抗震性能的要求。在进行基于计算机模拟的结构优化时，需要考虑多种因素。首先，需要准确建立高层建筑的数学模型，包括结构的几何形状、材料特性和荷载条件等。通过使用有限元分析等方法，可以模拟结构在地震波作用下的响应，并评估不同设计方案的性能。其次，需要制定合适的设计目标和约束条件。这些目标可以包括最小化结构的位移、加速度或应力响应，同时满足结构的安全性和稳定性要求。约束条件则可以涉及结构的几何约束、材料强度限制等。接着，可以使用优化算法来搜索最佳的设计方案。常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。这些算法可以根据预定的目标函数和约束条件，自动找到最优解或近似最优解。最后，需要进行敏感性分析和鲁棒性评估。敏感性分析可以帮助确定结构参数对性能的影响程度，以指导进一步的优化。而鲁棒性评估可以考虑不确定性因素，如地震波的变化和材料性能的不确定性，以保证结构在不同条件下具有良好的抗震性能。

结束语

   综上所述，建筑结构可能由于强烈的地震灾害而缺乏稳定性，影响建筑的使用安全，需要在建筑工程设计阶段和施工阶段采取科学可行的技术策略，提高建筑的抗震水平。由于地震的发生具有突发性，难以有效预防，若能做好建筑工程的前期抗震设计和施工，可提升建筑结构的抗震性能。通过全面而深入地分析和设计,可以有效提高建筑在面对地震挑战时的安全性,为保护人们的生命财产安全提供了坚实的基础。

参考文献

[1]康颖.建筑结构设计中的抗震设计要点分析[J].建材与装饰,2019,(12):128-129.

[2]池祥.高层建筑结构抗震设计要点分析[J].化工管理,2018,(25):68.

[3]潘卫宁.高层建筑结构抗震设计原则及要点浅析[J].山西建筑,2017,43(33):41-43.DOI:10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2017.33.022.