建筑结构设计中的抗震设计探讨

毕磊

【摘要】我国是一个地震频发的地区，近年来的一些大小地震给我们带来的灾难是有目共睹的，地震给我们带来的各方面的损失是不可估量的，而大量调查表明，地震之所以能够引起重大灾害，其主要原因是建筑物的倒塌和破坏所带来的一系列不良后果。由于地震的不确定性和随机性，抗震设计成为建筑结构设计的的首要考虑因素，我们也希望能够通过提高建筑物的抗震功能以达到减少地震所造成的损失的目的。

【关键词】抗震设计；建筑结构；建筑结构设计

一、建筑结构中抗震设计的基本情况

众所周知，地震的发生具有很大的不确定性，即使是再精确的测量仪器，也难以做到万无一失。而建筑物作为一个庞大而又復杂的系统，其结构在地震中将会发生诸多复杂的变化。因此，建筑结构中的抗震设计不能完全依赖于“计划设计”，而需要我们结合建筑工程抗震理论和工程抗震的实际经验，从“概念设计”的角度来看待建筑结构的整体抗震能力及反应，抗震设计人员应结合实际，按照建筑结构的破坏过程灵活的运用抗震设计方法，不仅要考虑到建筑结构整体布局的原则，也要考虑到每个细节结构的构造，从而以期从根本上提高建筑的抗震能力。

结构设计中的计划设计是依据计算理论和规范，对结构的计算模型和受力情况做出理论假设，以此进行计算分析，根据计算结果进行设计。然而地震的不确定性、随机性、地震时地壳运动对结构影响的复杂性，以及结构本身各种性质的复杂性，使得我们很难对相关的理论数据做出准确的假设。所以，仅依靠计划设计难以使结构具有较高的抗震能力。只有在概念设计的基础上辅以必要的计算，才能使结构具有较高的抗震能力。而抗震概念设计，是以地震灾害和工程经验形成的设计原则思想为依据，从整体角度来考虑建筑的细节布置，以实现较高的抗震效果。

二、地震荷载及其计算方法简述

地震释放的能量，是以地震波的形式向四周扩散的；地震波到达地面后引起地面运动，使地面上原来处于静止的建筑物收到动力作用而产生强迫振动。在振动过程中，作用在结构上的惯性力就是地震荷载。这样，地震荷载可以理解为一种能反映地震影响的等效荷载。在地震荷载和一般荷载共同作用下，当结构的内力或变形超过容许数值时，建筑物就遭到破坏乃至倒塌。因此，在结构抗震计算中，确定地震荷载是一个十分重要的问题。地震荷载与一般荷载不同，它不仅取决于地震烈度的大小，而且与建筑物的动力特性（结构的自振周期、阻尼）有密切关系。一般荷载则与结构的动力特性无关，可以独立确定。在我国和其它许多国家的抗震设计规范中，都采用反应谱理论来确定地震荷载。这种计算理论的依据，是对地震时地面运动的实测纪录进行计算分析绘出的加速度反应谱曲线，就是单质点弹性体系在一定地震作用下，最大反应加速度与体系自振周期的函数曲线。如果已知体系的自振周期，利用加速度反应谱曲线或相应公式就可以很方便地确定体系的反应加速度，进而求出地震荷载。应用反应谱理论不仅可以解决单质点体系的地震反应计算问题，而且在一定假设条件下，通过振型组合的方法，还可以计算多质点体系的地震反应。

三、抗震概念设计的原则及实现

在抗震概念设计中，选择有利的抗震地形是至关重要的。建筑物之所以会在地震中损毁，存在很多原因，主要有以下几点：首先，地震时地壳发生剧烈的运动，建筑物因震动而发生变形、扭曲，造成破坏；其二是由于地震所引发的其他自然灾害，如泥石流、海啸、水坝坍塌等；第三点则是因为地面发生严重变形，建筑物失去支撑而倒塌。因此，要提高建筑物的抗震性能，需综合以上三点，提出相应的应对方案。对于第一种情况而言，可以通过工程技术手段加以防范，而后两种难以依赖技术手段来达到预防目标，需要通过选择对抗震有利的地形来加以预防。确定对抗震有利的地段需对地形、地质等状况进行详细的勘察对比，做出综合评价，选择密实均匀的坚硬土地段，避开对抗震不利的软弱土以及河岸和边坡边缘的地段。

地形确定后，合理的地基和基础设计也是不可或缺的。地基及基础设计应当依据工程地质状况、工程主体部分的结构类型和地基的负载分布等诸多因素进行综合分析，最大限度地使地基在抗震中起到作用。因此，必须把握同一结构单元应设计在性质相同或相近的地基上的原则。具体而言包含以下几方面内容：同一结构单元的地基理应在性质上有所相同，而不应截然不同，地基和基础埋入地下的深度要相同，地下室也要包含在整个结构单元中，以确保地基和基础的结构整体性，从而达到抗震效果的最优。

合理匹配建筑结构的刚度、承载力和延性。大量的调查研究表明建筑结构及其构件、节点对地震的反应强弱以及破坏程度，与结构整体的刚度和构件及节点的承载力和构造密切相关。一般来说，结构的钢度越大，则它的延性就越低。而结构在地震时又需要很高的延性来消耗地震所产生的能量，但如果结构的延性太强，则结构的刚度不足，瞬间来袭的破坏力虽然能够很好地被消耗，但结构也会因为变形而不能再继续使用。因此，确定了建筑结构的设计，还要使得结构刚度、承载力和延性之间达到比较好的匹配关系。而在抗震建筑设计中，三者的匹配有一个总的要求，即重要构件的延性要高于结构整体的延性，构件中关键部位的延性要高于整个构件的延性。要使建筑具有较好的抗震能力，比较理想的状况是在结构抗侧力的刚度达到一定标准的前提下，结构的所有构件及构件的所有部件都具有较高的延性，然而工程却难以达到这种理想状态，因此我们可以选择结构中的重要构件和某些构件中的关键部位，来提高他们的延性，已达到我们预期的效果。

四、建筑的体型设计及平面布置设计

建筑的体型设计包括建筑的平面形状和主体空间形状的设计。不少震后调查表明，许多平面结构和体型复杂的建筑，如平面上外凸和内凹、侧面有过多的伸悬、不对称的侧翼布置等在地震中都遭到了不同程度的的破坏。而平面结构相对简单的规则的建筑在地震中未出现较重的损坏，有的甚至依然保持完整。经研究表明，形状上复杂和不规则建筑在地震时更容易遭到震害和破坏，特别是在建筑结构刚度发生突变的部位更易发生损坏。因此在结构体型的设计中，应尽可能地使平面和空间的形状简洁规则；在平面形状上而言，矩形、圆形、扇形、方形等形状对抗震来说都是较好的体型。反之，应尽可能少使用外凸或内凹的体型。在体型布置上则应尽可能使建筑的质量和刚度比较均匀的分布，避免产生因体型不对称而导致的质量和刚度不对称的扭转反应。

建筑物的平面布置在建筑设计中也是十分重要的部分，它直接反映了建筑的使用功能和要求。建筑物的内部各种明细都在建筑的平面设计图上明确下来，如柱子的距离、内墙的布置、房间的数量和布置等。由于建筑功能的不同，形成了建筑物沿高度分布的质量和刚度的严重不均匀、不协调。因此，这是对抗震效果的一大挑战。。因此，我们在设计建筑平面布置时，应尽可能使剪力墙布置比较均匀并使其能沿竖向贯通到建筑物底部，不宜中断或不到底。尽量避免其某楼层刚度过少，尽量避免产生地震时的钮转效应。

结语

由于地震的发生具有高度的不确定性和随机性，因此，为减少财产损失和人员伤亡，建筑的抗震设计已成为建筑设计不可或缺的一部分。为此，我们应该充分重视建筑的抗震设计，更应发挥其应有的作用，最大限度的减少建筑在地震时的损坏，最大限度的减少地震所带来的损失。

参考文献：

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