建筑结构抗震优化设计研究

王友三

摘要： 建筑工程与社会经济发展有着密不可分的联系，对人们生活安全也有着密切影响。随着技术的发展，以及人们对建筑物审美、功能性要求的逐渐提高都促使建筑物在高度、安全性、功能性方面有着显著提升。其中，建筑结构抗震性设计对工程建设安全性提升起到了关键性作用，加之目前新型材料的应用以及施工技术、管理水平的提升都使得抗震设计研究有了更大的应用空间。本文就建筑结构抗震优化设计进行研究探讨。

Abstract： Construction engineering and social and economic development are inextricably linked， and have a close impact on people's safety. With the development of technology， as well as people's demand on the building aesthetic and function is gradually increased， so the depth， safety and function of building has been significantly improved. Among them， the seismic design of building structure has played a key role in improving the safety of engineering construction. Due to the application of new materials and the improvement of the construction technology and management level， the seismic design research has more application space. In this paper， the seismic design of building structures is discussed.

关键词： 建筑结构；抗震设计；优化；研究

Key words： building structure；seismic design；optimization；research

中图分类号：TU352.1+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）35-0086-02

1 高层建筑抗震设计的必要性探讨

高层建筑抗震设计对建筑安全有着重要的影响，因此抗震设计如何使建筑物更加稳固是目前必须要加强的研究工作。随着近些年地震灾害的危害，结构工程师逐渐对建筑抗震设计更加重视，其中工程结构宏观的“概念设计”远比“数值设计”抗震效果明显的多。建筑结构概念设计的提出是以建筑物宏观整体为基础，并根据其内部结构系统整体进行方案的实施，同时对细部构造以及材料进行合理使用，以此来达到建筑结构设计应有的效果。

建筑结构设计过程中对于结构体系、构件延性、刚度分布要在宏观上进行鉴别、选择和处理，对高层建筑抗震设计中的薄弱环节要通过适当计算及构造进行消除。建筑结构设计工程师要充分运用自身敏捷的思维能力和判断能力对建筑结构设计基本问题进行确定，并延伸至设计的各个环节中。对建筑结构抗震特点、振动中的结构受力特性等进行充分的理解和分析，对关键问题重点对待，科学合理地进行结构设计。

2 影响建筑结构抗震能力的主要因素

建筑结构整体抵御地震作用的能力被称之为抗震能力，建筑结构的变形能力和承载能力决定了建筑物结构抗震能力的强弱，也直接决定了建筑物在地震过程中面临倒塌的风险程度。

一般而言，对建筑结构抗震力起到影响作用的因素主要分为以下几点：①结构总体布置。高层建筑结构体形设计情况、结构是否对称、强度刚度变化是否做到连续、均匀，结构的总体布置水平对建筑抗震能力有着较大影响。②结构选型。不同的地质特征要针对性的进行结构类型的選择，超静定次数要保证，以此对地震输入能量进行尽可能的消耗来提升建筑抗震可靠性。③结构整体性。增强建筑物竖向刚度的同时要注意各个构件之间的连接情况，保证建筑物的整体性，以此为基础建立其适应地震时可能发生的大变形的延性要求。④材料选择。建筑材料质量对结构质量起到了决定性作用，保证建筑材料质量是保障后续施工质量和抗震的基础。⑤刚度、延性强度比例。建筑结构抗震能力的体现需要相匹配的刚度、延性、强度进行合适的配比，这是建筑结构抗震的内在需求。⑥建筑场地。建筑施工前要对建筑场地进行细致的勘察勘探，选择有利的施工场地，对存在不利因素的场地要尽量避让。⑦施工质量。施工过程中对材料的使用不当、几何特征的破坏等等都可能会建筑的实际抗震能力造成影响。

在进行建筑结构抗震设计过程中，要注意以上建筑抗震能力影响因素，以科学合理地进行抗震设计，保证建筑物抗震能力。

3 高层建筑抗震结构设计的基本原则

3.1 结构构件设计原则

结构构件在设计时要遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱（墙）”的原则。对于建筑结构中较为薄弱的部位进行高抗震能力设计。结构构件在承载力、刚度、强度、稳定性、延性、耗能方面应满足设计要求，主要耗能构件在延性和刚度方面应具有较高水平，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

3.2 尽可能设置多道抗震防线

抗震结构体系的完整性是通过多个延性较好的分体系支持组成的，各个体系间通过延性较好的结构构件连接并进行协同工作。简单以框架剪力墙结构来说，即是由延性框架和剪力墙两部分组成。

在建筑抗震结构设计过程中要考虑到强烈地震过后的余震，只设一道防线的情况下，一旦遭遇余震，则建筑物很可能不堪重负最终倒塌。抗震结构设计时，要使建筑物具备最大可能数量的内部和外部冗余度，同时建立屈服区并进行合理分布。保证主要耗能构件具有较高的延性和刚度、强度，提升吸收和耗散地震能量的能力，使建筑物在地震中避免倒塌或者屹立的时间更久。通过对结构构件强弱关系的处理，使地震时楼层内的主要耗能构件已经屈服的情况下，其他抗侧力构件仍然能够处于弹性阶段以保持“有效屈服”的状态，并保持较长时间，提升建筑结构的延性和抗倒塌能力。抗震设计中某部分结构设计强度较高则会使其他部位强度不同程度降低，所以设计过程中要注意对薄弱部位进行加强，施工过程中要考虑具体结构强度，在进行构件配筋时易改变抗侧力强度，因此要谨慎对待。endprint

3.3 设计时对薄弱部位提高抗震能力

判断建筑物薄弱部位的基础是构件的实际承载能力情况，在强地震发生过程中构件强度安全储备并不存在。设计时要保证建筑物楼层实际承载能力在地震来临时保持均匀变化，当发生突发状况实际承载能力与设计计算值的比值发生突变，会因为塑性内力的重新分布造成塑性变形。在设计过程中要注意局部承载力加强的同时要保证建筑结构整体的协调一致性。对薄弱部位要有意识的进行控制，提升其变形能力和承载能力，并且保证薄弱层不发生转移，设计时需要将相关措施进行配合设计使用。

4 建筑结构抗震优化方法探讨

根据影响建筑物抗震能力的影响因素以及建筑结构设计的原则，进行建筑结构抗震优化研究，提出相关方法和措施。

4.1 能力设计法

受到地震作用的超静定性结构会出现延性破坏，基于此进行建筑结构抗震能力设计法的应用可以在保证满足抗震要求的同时实现经济性。能力设计法的本质是将控制理念与结构抗震设计相结合，加强应对结构破坏机制的能力。能力设计法对结构抗震性能与能力有着较好的控制力，使建筑抗震设计难度大大降低。

4.2 基于损伤与能量设计方法

建筑结构抗震优化设计中，从能量角度出发进行抗震设计的进行，主要是考虑到建筑结构承受地震影响时能够更好地承受其破坏能量，并将能量以有效的形式传导入建筑结构内部以进行分化消散。在发生地震时，建筑结构非弹性变形超过自身非弹性变形时，其建筑结构会受到一定程度的损伤，在建筑结构抗震设计过程中要将能量理念与非弹性变形相结合研究，对结构构件损伤纳入研究范围以最终提高建筑结构抗震能力。

4.3 基于位移设计方法，降低地震影响力输入

地震过程中，由于地震强度的不同建筑物会进行不同程度的位移，以结构位移为参照基础的结构设计方法能够在满足结构设计要求的同时有效控制建筑物位移情况。建筑抗震结构位移设计方法的应用，能够有效满足各种预定性能的目标要求。基于位移的设计方法应用能够使地震强度与结构自身形成关联性，并在地震时做出相应的反应，降低地震影响力输入。

基于位移的结构抗震方法，设计时要对设计方案进行综合定量分析，首先要保证建筑结构在收到地震影响时产生的形变在接受范围内。设计时要针对地震影响力情况确定位移限值和变形值，要研究透彻建筑构件变形与位移的关联。同时，在确定建筑构件构造时要考虑建筑界面应变分布情况的影响。根据位移设计方法，有效降低地震影响力输入，保证建筑结构安全性。

4.4 加强抗震结构设计

建筑建设选择的结构一般包括三种，即框-筒、筒-中筒以及框架-支撑体系，现在逐渐有更多的钢铁结构被应用到建筑工程中。基于现状尽量选择钢骨混凝土结构、钢结构以及钢管混凝土结构等，可以有效减小柱断面尺寸，对提高结构抗震性能具有重要意义。对于建筑结构抗震设计，需要从传统硬性为主的抗震模式逐渐向柔性为主的抗震模式转变，降低地震产生的影响力。另外，在确定抗震结构后，还需要做好对建筑材料的选择，应根据施工需要对建筑材料性能进行全面分析，综合考虑承载力、延性以及强度等方面要求。

4.5 增加抗震防线

通过增加抗震防线，在第一道防线遭到破坏后，还可以通过其他防线降低地震冲击力对建筑結构造成的影响，可以有效提高建筑抗震性能，例如可以选择用多个肢节与壁式框架的“框架剪力墙”结构来提高结构抗震性能。在框架剪力墙结构中，以剪力墙作为第一道抗震防线，因此为有效提高抗震性能应设置足够多的剪力墙。减小地震能量的输入和设置消能减震构件。强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。

5 结束语

高层建筑的发展与城市的发展具有密切的联系，城市人口的密集、用地紧张，从而促进人们对高层住宅建筑的要求。建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标，因此如何准确运用不同的抗震设计方法，合理的选择与优化结构体系非常重要。经济与安全的关系是结构抗震设计的重要技术措施。为了保证高层建筑结构在地震的作用下不被受到严重破坏以及保证人们的生命财产安全通过对高层住宅建筑结构的抗震优化设计，保证建筑具有良好的抗震性能以及安全性。

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