土木工程结构设计中的抗震问题

张 玮

（北京中元工程设计顾问有限公司，北京 100037）

在针对混凝土高层进行抗震设计时，建筑者需要将有关抗震的基本概念与实际的设计要求相结合，使建筑物在设计时既要获得很好的经济效益，又能够安全可靠。并且建筑者需要根据混凝土结构设计中的抗震层、防震缝和抗震支座等方面有针对性地完成抗震设计工作。

1 地震发生时对高层建筑造成的破坏特点分析

1.1 地基破坏特点

处在软弱土层上的高层建筑由于土地液化比较明显很容易因地面沉降而被破坏，最终会呈现出建筑上部倾斜的状况。而且一些在危险地段修建的高层建筑一旦遇到地震，地基就会出现不均匀沉降，甚至会导致建筑物出现不同程度的裂缝，严重破坏高层建筑物的结构。

1.2 结构体系的破坏特点

框架填墙结构建造成的高层建筑一旦被地震破坏后，建筑平面内的内框架上部很容易发生剪切型破坏。而框架剪力墙结构的高层建筑物受到地震的破坏性就比较轻，因为它的底部框架结构中的底层具有较低的刚度，相对框架填墙结构敞开式的底层框架，受到的伤害比较轻。

1.3 刚度破坏特点

建筑的主体结构一般采用矩形平面式、L形和三角形的结构形式，采用矩形的主体结构时，建筑中的电梯井等如果发生偏移，会因为扭转振动的作用加重地震带来的破坏程度；采用L形和三角形的主体结构时，也会因为对称性不强的缘故，导致建筑物在地震发生后受到扭转振动影响，加重地震带来的危险。

1.4 构件的破坏特点

采用框架剪力墙结构的建筑中，窗台下部位置比较容易造成交叉性裂缝的破坏。但是框架柱因为有螺旋箍筋的保护，层间位移角比较大，在地震来临时，被破坏的程度比较低。

2 土木工程结构中的抗震设计原则

2.1 整体设计要科学严谨

整体设计要科学严谨是保证建筑物整体安全性的关键原则之一，有此保证以后，即使建筑物出现局部损伤，也能避免建筑物的其他部位受到牵连。因此，在土木工程结构设计前，设计师要根据建筑设计的特点进行整体设计，确保整体结构的科学、合理，尤其是要保证建筑根基的稳定性。因为建筑根基的稳定可以减轻地震造成的伤害。例如四川绵阳百年老房经两次大地震后仍然保存完好，甚至可以入住，就是因为建筑柱下安置了柱础石，稳固了地基，减少了地震带来的破坏性，由此可以看出土木结构整体设计科学严谨的重要性。

2.2 结构形状简洁实用

一般情况下，要想使土木工程结构更具平衡性，建筑结构体系就要更加简单，同时，有利于增强其抗震性。而且，简单的土木建筑结构可以方便建筑施工，减少灾难发生后给居民带来的巨大损失。另外，它还可以方便建筑者检测其抗震性能，便于维修，从而增强建筑的稳定性、安全性。所以在进行土木工程建筑时，设计者要遵循简洁实用的建筑原则，保证建筑物的平衡，通过相对保守的设计弱化地震带来的危害。

2.3 结构设计平衡合理

建筑物结构设计平衡合理即它的建筑结构要符合抗震传递途径。这种基本符合抗震性的土木建筑结构就是竖向安置结构，它能有效保证建筑在重力作用下承担起整个建筑受到的压力。另外在进行楼顶布置时，需要采用最短的构件支撑建筑物，尽量让上边的构件通过转换层进行转换，提高其抗震性。

3 土木工程高层凝土建筑抗震结构设计

3.1 科学合理设计建筑主体结构

科学合理的建筑主体结构会提高建筑的整体质量，而且建筑主体的结构要和地基性质相似。例如如果地基中出现了橡皮土、液化土和新填土等承载能力不一样的土时，就要将不同的土融合到一起，增强基础结构的刚度，保证地基具有足够的承载力。目前，应用较广泛的一种结构就是底框结构，它不仅具有很强的实用性，还具有较强的经济性，在土木主体结构中是个不错的选择。但它也有一定的缺陷，比如，它的刚度分布不均，可能会使建筑物的整体结构出现变形，严重的甚至会导致房屋裂缝，所以在高设防烈度地区慎用这种结构。这就告诫设计者一定要遵循地基的土层性质，严格把关，保证底层刚度一致，减少抗震影响。

3.2 增加抗震防线

高层建筑的抗震结构通常采用多个相互协调连接的延性分体系，例如框剪力结构就是结合了剪力墙和框架分体。一般在大型地震出现后会伴随多次程度不同的余震发生，所以高层建筑不能只设置一道抗震防线，因为一旦抗震防线受到损害，高层建筑主体就会被破坏，这是非常冒险的行为。设计师一定要认真研究抗震设防体系，提高主体结构的抗震力。

3.3 抗震计算

建筑结构是不尽相同的，在设计时，应该考虑到多种情况，通常是以房屋的两个主轴方向对水平地震的作用进行计算，而这个计算要涉及不同方面的抗侧力构件，如果建筑物采用相交结构或者不对称、不清晰的不规则结构，就应该分别计算这些构件的抗震效果，从而采取最优的解决方法，提高抗震性。

3.4 高层建筑构建措施

目前，很多混凝土结构的计算标准都是承重柱的轴压比、混凝土比例以及钢筋横截面的比值。通过增加防震线、混凝土构造柱，限定建筑层数和高度来加强混砖结构的强度和刚度。由于时代的变迁、地壳的运动，地震时常发生，有关部门针对性地出台了一些政策，增加了一些强制性的规定，例如：电梯的空间、建筑物的顶层与顶部的圈梁相接，并且隔一段相同的距离就要在内外墙的交界处设钢筋等等，这些规定从某种程度上提高了高层建筑物整体结构的安全性与稳定性。除此之外，高层建筑设计师还要考虑墙对建筑物的整体承受能力以及具体影响，并且根据不同程度的影响制定不同的解决方案。

4 土木结构设计中提高抗震性的有效措施

混凝土土木结构的建筑物在进行抗震设计时，一定要满足两个方面的要求：一是刚度需求，即设计师需要对建筑物所在地的地形地貌、土壤结构、建材特性等做详细的分析，合理设计出符合建筑物的结构刚度，并且对建筑物结构的连接点做出相应调整，达到良好抗震性；二是受力需求，即分析地震灾害数据，使建筑物整体结构的受力状况与地基相一致，减少地震对建筑物带来的损害。因此，建筑物的设计者和建造者都应该结合实际具体考虑合理有效的建筑方法，最终达到减震消灾的目的。

4.1 科学选址，将场地周围隐患降到最低

建筑物所在的地理环境、地质状况都会影响它的使用年限，这也是每一位建筑物设计师必须关注的关键因素。因此在土木工程结构抗震设计中，设计师一定要科学合理选择建造场地，尽量避免在地质断层带、滑坡、地震频发区建设，保证土木工程的稳定性。通常情况下，建筑物要尽可能的建造在地形平坦、开阔，地基稳固的地方，如果必须建造在沙土、液化土等土质疏松的地方，也一定要采取措施加强地基强度，提高建筑物的稳固性。

4.2 科学选择结构材料

调查显示，钢结构的建筑物抗震性能最好，现浇钢筋混凝土结构的建筑物整体性能不错并且成本较低，预应力混凝土结构的建筑物弹性变形能力较强，它可以承受较大程度的变形。但是与之相对的是，钢结构的造价和维护费用比较昂贵，所以设计人员还是要根据具体情况斟酌设计。不可否认的是我国大部分的土木工程结构都在采用以钢筋混凝土为主的材料，所以设计人员还是要全面掌握其优缺点，提出相对较好的建筑方案。例如，如果地震持续的时间较长，这种结构的刚度就降低，塑性铰区会出现反向斜裂缝，一旦挤进碎的混凝土，钢筋框架就会出现位移，这是非常不好的后果。设计师一定要严格把关钢筋混凝土的配筋率，找到最优的配比，提高这一结构的抗震性，一旦发生地震，也会保持更长时间的稳定。

4.3 抗震层设计

抗震层位于土木工程建筑的顶部，它能够最大限度地隔离地震能量，提高建筑物的安全性。在实际建筑中，抗震层顶部梁底与基础面要留出0.8 m以上的空间，为的是在安装和维护时更加方便。例如，为了更好地发挥抗震层顶部楼板的作用，可以尝试地下室的建造形式，将抗震层放到地下室柱顶或墙顶，并且可以在其上部安置减震器，将地震带来的影响进行转移，从而减少地震对建筑物的损害。

4.4 防震缝设计

防震缝可以将建筑物分为很多形状简单、结构刚度均匀的独立部分，有利于减轻相邻结构的部分在地震发生时相互碰撞产生严重危害。将复杂的建筑物结构进行分割可以减少建筑发生扭转的程度，提高抗震性。因此设计人员要结合具体的建造特点，在保证宽度合理的情况下设置防震缝，满足抗震支座在遇到强烈的地震时产生的位移偏转。当然有些建筑物是不需要设置的，例如，结构相对规则的混凝土建筑。但是对于结构设计非常不规则的建筑物而言，还是要设置防震缝。

5 结语

土木结构中出现抗震结构顺应了时代发展的要求。因为，随着人们对高层混凝土建筑质量的要求不断提升，人们迫切地想要改善居住环境，对于建筑物的安全性也提出了更高的要求。所以在真正地建造过程中，设计师和建造者一定要结合具体情况，探索出相对较好的抗震结构，在提高建筑物抗震性的同时带来更高的经济效益，推动我国建筑行业的发展。