抗震概念设计在建筑结构设计中的应用

王劼毅

1 引言

地震是一种不可抗力的自然灾害，地震发生时，严重威胁着城市经济的发展和人们的生活水平。尤其是在建筑领域，如果建筑物本身无法承受地震的作用力，一旦发生损坏甚至坍塌，会造成极其严重的经济和人员损失。此外，由于目前的科技水平还远远无法达到精准预测地震的地步，所以必须加强建筑物的抗震性能。通过在建筑结构设计时，引入抗震概念设计，能够大幅度提升建筑自身的抗震性能，在地震发生时，能够最大程度的保护周边的人群和财产。因此，研究抗震概念设计在建筑结构设计中的应用具有重大的现实意义。

2 建筑抗震概念设计概述

一般情况，在进行建筑结构设计时，会从两个方面进行设计：计算设计和概念设计。建筑结构的计算设计，是对建筑的结构模型、地质情况等一些的数据进行研究、分析和计算，通过不断的对结构和部分构件调整，确保建筑物的整体受力情况能够达到了建筑的设计要求。计算设计的优点在有科学依据，得到的建筑结构设计合理，符合建筑要求。但是缺点是需要由准确的数据和完善的信息。

由于地震的不可预知性，无法精准的对地震发生时产生的数据和信息进行收集和计算，如果采用计算设计来进行建筑结构设计，往往不准确而且也不现实。这是，就需要引入概念设计，对建筑进行抗震设计。这种设计方法的优点是相对比较经济，无需高昂的设计成本，相对工作量较少，而缺点是对设计人员的要求较高，不仅本身的工作经验要十分丰富，而且要对当地的地震情况和相关数据参数有详细的了解。

3 建筑抗震概念设计遵循的基本原则

在进行建筑抗震结构设计的过程中，应当始终坚持以下原则：

3.1 整体合理性原则

建筑本身是一个整体，在进行建筑结构抗震概念设计时，必须确保建筑整体结构的合理性。局部的抗震性能好不代表建筑物在收到地震作用时，不会发生损伤或者破坏。相关设计人员必须从整体角度出发，遵循建筑的基本规定和要求，确保建筑物整体结构的稳定和抗震，合理的引入抗震设计，提升建筑物的整体抗震性能。

3.2 结构合理性原则

结构合理是建筑物设计的核心原则。如果单纯的为了建筑物的抗震性能，而忽略了结构的合理设计，建筑物本身的稳定性就已经大打折扣，在地震灾难发生时，不仅不能抗震，而且收到损伤甚至坍塌的可能性会更高。因此，在进行建筑设计时，应重点考虑平衡和稳定，降低建筑物侧拉力，确保建筑整体结构的合理和稳定。

3.3 竖向均匀原则

地震发生时，建筑物在水平方向所受到的作用力会突然加大，会导致建筑产生一定的变形。如果建筑的竖向设计出现问题，作用力不均衡，会导致建筑很容易因变形而产生扭曲，增大了建筑物损伤的可能性。因此，在进行建筑结构抗震概念设计时，因局部突变或者扭转效应，所产生薄弱部位应当避免，确保建筑的竖向和水平结构布置，都具有较高的刚度和承载力分布。在进行结构的平面布置时，要求简单、规则和对称，且质量中心与刚度中心之间的差异应控制在最小；在进行竖向结构的布置时，除了规则和均匀之外，还应避免过度的结构向外或者向内，在侧向刚度方面，为了避免出现突变的情况，保持建筑物的从下而上，逐渐均匀的变小。

4 抗震概念设计在建筑结构设计的应用

前文提到，抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异。这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力、变形情况，并确保结构安全可靠。因此，在实际建筑结构设计时，抗震概念设计的应用包括正确的场地选择，合理的结构选型和布置、正确的构造措施等。

4.1 建筑工程地点的最优选择

选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。抗震危险地段指地震时可能发生崩塌（如溶洞、陡峭的山区）、地陷（如地下煤矿的大面积采空区）、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度为Ⅷ度以上的发震断裂带在地震时可能发生错位的断层。

此外，在进行抗震概念设计时，对施工场地的土地也有要求。一般情况下，密实度高，硬度强且较为均匀的土地结构，可以大大提升建筑物的抗震性能。对于软弱土、易液化土、断层破碎带以及成岩、岩性、状态明显不均匀的土地场所，应当尽量避免，一旦发生地震时，即便是建筑物本身的抗震性能良好，也会因为土地问题导致损伤甚至坍塌的危险安全事故发生。

例如：天津塘沽港地区，由于地表土地为冲填土，在地表下存在大量的淤泥和淤泥质土，且地下水水位较高，1974年在此地建设的住宅楼，到1976年唐山大地震发生时，已经发生了接近200mm的沉降。地震发生后，沉降量受地震影响突然增大，沉降达到350mm。虽然该地区的房屋建筑不在地震灾害区域，但仍然发生了房屋倾斜，四周地面隆起的安全事故，如图1所示。

图1 软土地基上房屋的震害

4.2 抗震构架体的选取

刚度大、强度好的的建筑物构架方案，可以大大降低建筑物在受到地震作用时发生变形的几率，由此达到提升建筑抗震性能的目的。一般情况下，应参考以下应用原则：

（1）平面结构宜简单。结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径，使计算分析模型更易接近实际的受力状态，所分析的结果具有更好的可靠性，据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证。地震区的建筑平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形次之；三角形、带有较长翼缘的L形、T形、十字形、Y形、U形和H形等平面结构对抗震结构性能不利，尽量在设计时避免出现。

（2）立面变化要均匀。即建筑的质量和刚度变化要均匀。结构布置不均匀产生刚度和强度的突变，引起竖向抗侧力构件的应力集中或变形集中，将降低结构抵抗地震的能力，地震时易发生损坏，甚至倒塌。根据均匀性原则，建筑的立面也应采用矩形、梯形和三角形等非突变的几何形状。

例如：某建筑为六层钢筋混凝土房屋，其剖面如图2所示。该建筑三层以上为框架-剪力墙体系，底层和二层为框架体系，而二层有较多的砖隔墙。该结构上、下层的侧向层间刚度相差约为10倍。地震后，上面几层震害很轻，而底层严重偏斜，纵向侧移达600mm，横向侧移约600mm，角柱出现严重的受压酥碎现象。

图2 某建筑破面图

4.3 抗震参数计算和统计工作

在进行建筑结构抗震概念设计时，参考相关的数据可以大大提升方案的合理性和准确性。因此，在进行建筑方案设计时，应针对建筑的受力情况，进行相关明确的数值计算，并以此为基础建立建筑结构模型，通过多次的模拟试验，验证所设计的建筑结构是否符合抗震要求。例如关键性的指标数据有：结构的位移比、层间位移角、结构的周期比、结构的剪重比和刚重比以及轴压比等数值。

4.4 设置多道抗震防线

单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替工作，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，避免再度严重破坏。

例如；某建筑位于地震区，地面以上18层，高61m。该大楼采用钢筋混凝土芯筒作为主要的抗震和抗风构件。但是，该芯筒又有四个小芯筒组成，在每层楼板处，采用较大截面的钢筋混凝土连系梁，将四个小筒连成一个具有较强整体性的大筒，如图3所示。

图3 某建筑设置多道抗震防线示意图

这样的抗震设计，既考虑四个小筒作为大筒的组成部分发挥整体作用时的受力情况，又考虑连系梁损坏后四个小筒各自作为独立构件的受力状态，且小筒间的连系梁完全破坏时整体结构仍具有良好的抗震性能。

5 结语

综上所述，随着人们生活水平的不断提高，对建筑物的抗震要求也在不断增大。作为建筑结构设计的重点，抗震概念设计是不可缺少的。因此，通过不断的学习先进的技术手段，引入科学的理论，提升建筑物结构设计的协调性和整体性，不断增强建筑的抗震性能。

[1]张晓松.抗震概念设计在建筑结构设计中的应用[J].建筑与装饰，2017（8）.

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