浅析土木工程结构中的抗震设计

雷哲智

（湖南 长沙 410000）

1 抗震设计的研究意义

我国有着广袤的土地，但同时处于世界上两个最大地震集中发生地带之间，历史上曾发生过多次重大破坏性地震。特别是在五一二大地震，造成了巨大损失。为了防止再次出现如此巨大的损失，我们必须加紧完善土木工程结构的抗震性能，注重建造过程中的抗震设计，以此最大程度的降低地震灾害所带来的影响，维护生命和财产安全。

2 抗震设计的影响因素

2.1 结构高度

高度是影响土木工程结构性抗震的一个重要的因素，一般而言高度越高其在地震中受到的破坏程度越大。建筑的高度和面对地震灾害时所受到的损失往往成正比关系，地震中能够得以幸存的几乎都是底层楼建筑。因此，进行土木工程设计一定要结合各地点高度的不同因地制宜，采取有针对性的设计手段。以台湾地区为例，台湾岛中高周低，最高点玉山海拔3952m，另外地处环太平洋火山地震带，地震频发。所以台湾地区极其重视建筑的抗震性能。平均建筑高度在20～23m左右，即使是极高的地标建筑，也都采用了严格的抗震设计。在高度设计时要注重建筑的结构高宽比（房屋的总高度与平面最小宽度的比例），因为结构的高宽比对建筑物的结构刚度、侧移和振动形式都有直接的影响，例如在钢结构建造的民用房屋中其抗震设防的烈度和建筑物结构高宽比是需要严格计算设计的，烈度6～7度对应的最大结构高宽比为6．5，烈度8度对应的最大结构高宽比为6．0。因此，在进行抗震设计时，必须要着重关注工程的结构高度，计算出相关的荷载以此作为依据进行科学合理的规划。

2.2 场地选择

土木工程的建造选址也是土木工程设计中极其重要的一环。从宏观角度看，不同的地理位置发生地震的

概率也不同，处在地震带上的建筑，往往需要面对更高的地震风险。重庆市地势起伏大，且位于地震带，因此其地震频发，其地震风险大，所以在建筑的建设过程中，普遍采用“削高山，垫平地”的做法。从微观角度看，建筑建造在宽阔的平地上，将得以使土木工程设计获得较大的操作空间，一个坚实牢固的地基将会使得建筑具有良好的稳定性，以免对地震带来的外力冲击。而当建筑紧邻山坡等地时，需要面对山顶滑坡的风险，使得地震来临时，给人员和财产安全带来更大的损失。在土木工程设计中，需尽量考虑建筑的简练性，多样复杂的外观将会影响建筑的荷载，面对各类灾害时，将会带来更多的不确定因素。

2.3 材料选择

在土木工程的结构设计中，建筑材料的选择也是一个不可忽视的因素。如果说面对地震损害时建筑的选址是第一道防线，那么建筑材料就是面对地震损害时最后一道防火墙。具有较高硬度的问题，能够在抵抗更大的外力时不产生结构变形，但需要注意并不是所有高硬度的物体能够作为建筑的支撑材料，例如玻璃尽管是一种硬度极大的物体，但却存在着易碎的特性，无法成为一个建筑屋物的结构性支撑要素，仅仅能起到装饰的目的。目前我国的土木工程中普遍使用钢筋混凝土作为主要的结构性建筑材料，但其硬度和韧性却很难达到抗震要求，因此在进行抗震设计时，应采用不易产生弯曲变形的钢材料作为主要结构。

2.4 竖向设计的均匀性

竖向设计意为和水平面垂直的设计方法。受限于自然环境的因素，施工用地往往很难满足设计师对土地的需要，因此我们需要进行竖向设计。而土木工程在进行抗震设计时，对建筑内部的竖向结构对称性有着极高的要求。建筑横隔层的尺寸和规模必须得符合标准要求，分隔层各部分必须均匀的受重。当建筑结构中的开设洞口规范无法统一时，工程结构将会缺乏刚度和延性，整个建筑主体也将会承担更多的外来压力，而竖向设计可使建筑抵消部分地震产生的冲击波。换句话说，一个质量、体积等要素分配均匀的物体，其稳定性也就更高。而竖向设计设计的越均匀，建筑物的稳定性也就越高，因此抗震性能也就越好。

3 抗震设计应遵循的原则

3.1 统筹全局，创新设计

目前在世界范围内，还未出现能准确预测地震出现时间的技术，因此面对地震灾害时，仅能采取防范措施。因此，土木工程中的抗震设计就显得尤为重要。在抗震设计中，得首先确保在地震发生的危急关头，不会发生因建筑物整体结构损坏或变形从而造成严重的人力、财力损失。所以在设计建筑物的抗震性能时，我们需要综合理论知识和历史经验，从过去地震的破坏性、烈度等多角度分析，进行创新设计，以工程主体的构建为主要依托，辅以建筑内部的特殊设计，借此增加建筑的抗震能力。

3.2 结构简单，构造科学

对于土木工程结构来说，土木设计师们更加偏爱具有简单明了的形状的建筑物，因为他们可以更加容易的测算建筑物整体结构的受力情况，所以能够设计的更加准确。换句话说，假若建筑物在进行结构设计时被赋予了更加复杂的结构，那么设计人员就会面临更大的数据计算工作量，更严重的是，在地震来临时，这种更为复杂的建筑物会受到更为严重的破坏。目前而言，使用钢结构是抗震性最好、最强的结构。一方面源于钢结构使用的钢材其材质均匀，这种轻质高强的特点让其在地震中受到的地震作用减小；另一方面，钢结构具有良好的延伸性能从而让结构的变形能力强，在地震中即使发生严重变形但不至于倒塌。汶川大地震中绵阳地区集中安置区域的九州体育馆也使用的是钢结构。

4 提高土木工程结构的抗震性能设计方案

4.1 树立土木工程结构抗震设计理念

随着科技的进步，建筑设计也从传统的手工图纸转变为了以计算机合成的数字化图纸。在使用计算机进行工程结构设计时，尽管设计过程被极大的简化，许多细节或设想都由计算机辅助完成和实现，往往会因为计算机软件所具有的过多辅助功能而忽略了概念设计理念，忽视了设计的规则性，弱化了抗震意识。随着时代观点的转变，建筑的高度往往能够获得社会的焦点关注。而超高层的建筑结构，在建筑设计过程中各种计算变得十分繁琐，建筑荷载的计算时的因素条件更为多变，也使得面对地震时建筑结构面临更大的风险。所以要优化土木工程结构抗震设计就需采取具有科学合理性和实用性概念设计，以此完善一个整体框架，模拟出接近于真实的模型以供参考。

4.2 加强隔震以及效能减震设计

为防止地震发生时所产生的冲击波对土木工程内部结构造成严重破坏，可在工程内部结构的连接点位置安装特制的隔震材料。当地震来临时，伴随产生的冲击波能量从工程建筑底部由下自上传递，此时建筑内部结构安装的隔震材料，能够使冲击波的能量层层递减，减少工程结构的损伤。但隔震装置目前仅适用于低层建筑结构，对于地震中的高楼层建筑，隔震装置效果并不明显。目前建筑行业在建造桥梁时，普遍利用橡胶垫和隔震材料混合后所带有的摩擦性和延性，以作为工程内部结构连接点的隔震装置，以此起到支撑和恢复作用。

4.3 选择合适的建造场地

在为土木工程进行防震设计时，工程的选址是极为值得考究的，也是整个仿真设计的第一步。工程的地理位置决定了工程所能采用的结构。地基的深浅和牢固，决定着整个工程抗震能力的下限，如果没有良好的地基，不管工程内部结构设计的如何巧妙，使用的材料如何坚固，最终都是徒劳的。宽阔平坦的工程地址往往是最佳的选址，不但给予了多样化的结构设计，并减少了人员的逃生时所受的二次伤害。

4.4 优化土木工程结构

要提高土木工程的抗震能力，冗杂的结构必须去除。在优化建筑结构时，需要考虑荷载能力、抗侧力、施工场地等因素。在实际设计中，不能因为对建筑外观的过多追求。在优化土木工程结构时，需要重点关注三个方面的问题。一是注重建筑物的整体稳定性。在进行设计时一定要加强建筑物的宽度参照系数的研究，对建筑物基础的深埋深度进行关注。二要注重楼层平面的刚度。在设计方案的时候可以考虑将楼层设计为刚性的露面计算楼层平面具有的刚度，准确的分析出楼板的实际受力情况。三是注重结构设计软件的运用。要充分运用计算机网络带来的便利，提高设计图纸的准确性和精度。例如可以PKPM软件在高层建筑物设计过程中来分析有限元，计算建筑物内部受力情况挑选最佳的设计方案。

4.5 培养相关人才

目前应集中资源对国内重点院校土木工程专业人才进行培养，结合国外经验和国内实际情况，将先进建筑理论知识和实践经验传授给专业人才，以此提高行业内精英人才数量，提升土木工程设计质量。此外，还可通过举办大型的建筑抗震设计大赛或讲座，并进行大力推广和宣传，以此带动整个专业领域的学生热情，借此发现人才和普及知识。在院校培养学生的同时，也必须注重人才的全面发展，如若只注重单一的抗震设计技能培训，或者是只关注桥梁建设而忽视房屋、隧道等设计培训，在应对多变的工程状况时难免会捉襟见肘，因此必须以掌握多层次专业技术为目标来培养人才。

4.6 使用防震材料

过去建筑业使用的防震材料多以黏土和砂子为主，也使得建筑结构变得更为笨重，对支撑结构也带来更大的负担压力。随着现代化抗震技术的提高，以轻便的沥青取代砂子作为防震材料，不但提升了建筑基底的减震效果，还减轻了工程内部支撑结构的负荷。

5 结语

综上所述，土木工程的抗震性能是我们在进行设计时必须关注的重点，设计和施工人员一定要按照抗震设计的基本原则因地因时制宜。本文通过分析研究了抗震设计的特点和所需遵循的原则，提出了一些提高土木工程结构抗震能力的方法，以求为设计施工人员提供参考，提高建筑物工程质量。