论工业与民用建筑结构抗震设计的相关研究

朱 明

(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610042)

地震是最常见的自然灾害之一，不管是2008年汶川大地震还是2013年的芦山地震，都在很大程度上影响了社会经济的发展、人们的安定与生存安全。因此，最有效的方法就是做好抗震设计。在实际工作中，因为工民建抗震设计不够完善，最终导致房屋造成很大的损害。因此，当我们尽力降低地震灾害影响时，必须根据抗震要求，结合建筑设计标准，遵守制度，利用科学的结构形式，来确保建筑结构设计的质量及建筑的安全。

1 工民建结构抗震的现状和技术

在我们传统的建筑抗震中，一般是通过给建筑物体结构增加抵抗力，在建筑物体结构薄弱的地方或容易被地震破坏的地方加强或加厚材料的方法来抗震。这种方法比较简单，操作性方便，但投入多，经济性差，对建筑物体整体而言，抗震效果不好。还有一种比较常用的减震方法,采用橡胶隔震垫对建筑物体进行加固。这种方法在施工中必须将已有的结构在底部阶段，或在其中间安装上橡胶隔震垫，虽然比上一种方法效果好，但是在实际的施工中带来了麻烦和困难，无法得到广泛应用或推广。还有一种方法就是创建消能减震体系，由主体结构和装有消能器的消能配件组成，当配件(构件)或节点发生滑动或平移时，消能器就可以产生强的阻力来吸收地震的能量，达到减震的效果，提高整体的抗震能力。这类方法可在高柔结构中适用，能增强结构的刚度，缩短位移。这些方法都能够达到减震的作用，但是当我们从事结构设计时，必须考虑到概念设计，依靠概念设计达到全局抗震的目的。

2 建筑结构防震技术优点缺点

地震从开始到振动，持续时间只有十几秒至几十秒。针对常用的建筑结构防震技术而言，包括两个方面：①刚性抗震、②柔性抗震。刚性抗震的方法就是我们传统的结构抗震设计方法，通过结构的强度设计，提高建筑的抗破坏能力，通过结构的刚度设计，提高建筑的抗变形能力，通过结构的塑形设计，提高建筑的延性和防倒塌能力。而柔性抗震法，这种方法是科技人员研究出来的，是以隔震技术和消能减震技术来实现。下面简单介绍一下这两种抗震技术的优点缺点：目前世界各地多数采用刚性抗震，其结构以钢筋混凝土结构为主。主要靠加大抗侧力构件，如梁、柱的截面。增大配筋，提高混凝土标号等来提高建筑物自身的刚度和延性，达到抗震的目的。优点：经过长期的发展，有一套比较成熟的理论，实践经验丰富，技术比较成熟。缺点：当增大建筑物刚度的同时，也会引起地震加速度增大，所遭受地震效应更强；建筑结构自身刚度无论多大，当遇到强烈地震作用时，抵抗能力却有限。在柔性抗震法中运用的隔震技术，在20世纪90年代开始使用，依托国家“八五”科技攻关项目，完成隔震技术从产品研制、设计方法到施工技术的研究。当我们在使用隔震技术的方案时需要注意：该技术对底层和多层建筑效果比较明显；在硬土场地比较适合搭建隔震建筑。因为当地震时，如果是隔震建筑的话，其变形主要集中在隔震层，隔震一般可使上部结构和水平地震加速反应降低60 %～70 %左右，从而消除或有效减轻结构的地震损坏。还有一种消能减震技术，它是通过附加阻尼或阻尼器的非线性滞变耗能减小结构的地震反应，从而保护主体结构不发生损伤或小的地震损伤。所以消能减震技术的优点是比较多的：消能部件不承受结构重力；消能减震技术不受结构类型限制，适用于延性结构；消能减震技术可以有效减少结构在风作用下位移和加速度响应。由于这种新技术还处在理论、发展和完善阶段，某些技术的安全性和实用性还需要进一步加强；虽然设计人员已经认识或认同此项技术，但是未能熟练掌握和运用，同时采用消能减震或隔震技术来建设房屋或建筑物，必然会增加建设投资，这些即为不足。

3 概念设计

在讨论概念设计之前，不得不提的一种建筑结构：钢结构(钢筋混凝土结构)，在通常情况下，它的抗震能力是最强的，自身柔韧性好，但是这种结构需要大量的钢材，所以成本较高，容易被腐蚀，不符合建筑设计的耐久性要求。

所谓概念设计就是说在结构设计方案中，运用以前的结构设计中已知知识和经验，更进一步地解决一些重要问题，如：建筑结构的形状、体系或建筑物构件的延性等问题。概念设计需要在结构设计的基础之上进行宏观性的综合考虑来减少地震对建筑物的损害性。概念设计主要体现在方案设计阶段，此时需要结构工程师运用结构设计的概念，将设计知识和设计经验结合实际，设计一种安全可靠低成本的设计方案。也可在设计的时候运用概念性估算法，在最初设计阶段高效的多种设计方案中选择最适合的方案。采用这种概念性估算法不但定性准确，而且经济可行，省掉了很多麻烦的步骤。根据最新的《建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)》(以下简称规定)的规定中，有一些没有具体的规定，如中震可修的设防目标等，但是在我们实际的抗震设计中，不能完全按照规范，应该发展和继承的去应用规范。发展到什么程度这个需要看设计师对建筑物的结构与分体之间的力学关系了解透彻程度。我们必须了解结构设计并不是简单的、按照规范去依靠计算机设计，设计结果势必满足不了要求。我们在建筑结构设计中，必须遵循规范，结合实际情况，加上设计师的经验，把概念设计融入到设计规范中。《规定》要求在建筑物的内部设计大地震动反应观测系统，还需要在设计时注意组织结构与地面的共振问题。因此，当从事概念设计是要考虑到场地的条件，地面的稳定性，材料的选择，抗震体系结构的选取等。使设计结果在组织结构上满足强度大、刚度好，具有延性而且节能的设计结果。

4 展望建筑结构抗震设计的前景

结构抗震体系由传统的“硬抗”为主的抗震体系走向“柔抗”为主的结构减震控制体系发展。而这种“柔抗”新概念，它通过调整结构动力特性、隔震、消能或控制来达到抗震的目的，在未来的工民建中结构抗震的思路不断开阔，有效促进工民建建筑的健康发展。

我国是一个人口密集的“大家”，地震的发生，对人民生命财产造成极大的损失，增强建筑物的抗震能力就成了我们的研究内容。经过工民建中多年的抗震探索和研究，总结设计经验引入了概念设计的新理念。这种设计理念从宏观角度对建筑抗震结构进行设计，在某些方面弥补了以后设计思路对抗震结构思考的不足之处，也为未来工民建结构抗震设计开辟了新道路。

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