建筑结构抗震设计探讨

王超然

（济源职业技术学院，河南 济源 459000）

一、引言

整个地球每年都会发生很多次地震，人们能感觉到的地震大约有5万余次，会使建筑物发生破坏的地震大约有20余次，给人类带来毁灭性的地震大约有2次。近年来，我国发生过不少让人刻骨铭心的地震，例如：河北唐山大地震、云南省澜沧、耿马地震、昆仑山大地震、四川汶川地震、青海玉树地震等，地震带来的惨痛经历都历历在目。当地震来临时，地球内部不断运动，慢慢地集聚了大量的能量，这种能量会造成建筑物的破坏甚至是倒塌，还会引发各类次生灾害，比如泥石流、滑坡、水灾、火灾、疫情等，在地震及其地震引发的次生灾害下，会给国家带来巨大的人员伤亡和经济财产损失，因此，必须注重建筑物的抗震设计。

二、建筑结构震害分析

（一）多层及高层钢筋混凝土房屋震害分析

钢筋混凝土结构在遭受到高于本地区抗震烈度的地震时会发生破坏，其破坏的形式主要体现在两个层次，第一个层次是结构破坏，第二个层次是构件破坏。

引起结构层次破坏的原因主要有两个：第一，设计单位在设计的时侯，没有注意平面的规则性。如果在对建筑物的构件进行布置时，平面布置不对称，容易造成结构的质量中心和刚度中心不重合，当地震来临时，在水平地震力的作用下，会分别以质量中心和刚度中心为矩心产生扭转效应，质量中心和刚度中心之间的距离增大，会增加这种扭转效应，从而使结构更容易发生扭转破坏。若结构平面布置时，存在较大的凸出、凹进，或者平面布置可能明显导致强烈局部震动时，在平面上的薄弱部位会存在应力集中现象，相应部位的结构会出现不同程度的破坏。第二，建筑结构在竖向上刚度分布不均匀，存在突变的情况，当发生地震，受地震力的影响，刚度小的楼层变形增大，严重时会导致整个楼层垮塌。

构件层次的破坏主要表现在以下几个方面：第一，梁端破坏。当地震来临时，梁与柱子相交的地方是最容易发生破坏的，属于局部的破坏，梁属于水平方向的构件，若发生破坏不会导致整个楼层直接倒塌。梁的破坏形式有斜截面的破坏和正截面的破坏，若发生斜截面的破坏，破坏的特征是，梁端附近有很多细小且密集的斜裂缝，混凝土会发生剪压破坏最后被压碎，这种脆性的破坏比较危险。正截面破坏主要是在水平地震力的作用下，梁的跨中产生较大的正弯矩，支座处产生较大的负弯矩，从而产生贯通的竖向裂缝，严重的话，会产生塑性铰，造成内力重分布。第二，柱端破坏。柱子属于竖向承重构件，一旦发生破坏，整栋楼就会倒塌。柱子本身要承受梁和板传来的竖向荷载，当遭遇到地震时，又要同时承受水平的地震力，如果不注重柱子的抗震设计，建筑物将会遭受非常严重的破坏。柱子常见的震害主要表现在以下几个方面：在水平地震力作用下，柱子会发生剪切破坏；在轴力和正负弯矩的作用下，柱子会发生压弯破坏；当柱子的纵向配筋较少且承受正负弯矩时，容易发生弯曲破坏；角柱处于双向偏压的状态，受力状态很复杂；若框架中存在错层，柱子的变形会受到填充墙的约束，使得柱子的计算长度减小，剪跨比也会相应地减小，此时，柱子容易发生剪切破坏。因此“强柱弱梁”在抗震设计中非常重要。第三，节点破坏。梁柱的节点在地震力的反复作用下因抗剪强度不足容易发生破坏，充分体现了抗震设计中“强节点、强锚固”设计理念的重要性。第四，抗震墙破坏。抗震墙又称之为剪力墙，地震发生时，剪力墙中的连梁先发生剪切破坏，连梁之所以发生破坏，主要是由其自身的特点决定的，一般情况下，连梁容易形成深梁，深梁的特点是跨度小，高度大，在反复地震力的作用下，容易发生剪切破坏，其破坏属于脆性的。第五，填充墙的破坏。填充墙在地震中通常表现为整体倒塌或者是沿着墙体的对角线产生斜裂缝，主要原因是墙体的受剪承载力太低，变形能力较小且墙体和框架结构之间没有强有力的拉结。

另外，除了结构破坏和构件破坏，还有其他破坏也会导致结构出现严重的震害。第一，毗邻建筑及防震缝的问题。在之前发生的地震中，一再发生相邻建筑物碰撞的事件，主要原因就是两座建筑物之间的缝隙，不满足防震缝的要求，防震缝的宽度太小，导致地震时，实际位移过大。第二，楼梯和楼梯间。楼梯是主要的逃生通道，如果楼梯发生破坏，将会阻断人们的逃生通道。多数地震表明，楼梯间的破坏比较严重，究其原因，主要是因为地震来临时，楼梯段处于交替的拉弯和压弯这样的一个受力状态，受力情况较为复杂，至今为止，没有研究出一个针对楼梯整体的计算公式。

（二）多层砌体结构房屋震害分析

砌体结构的主要承重构件是墙体，墙体要承受重力的作用，地震发生的时候，墙体还要受到水平地震作用、竖向地震作用，多种力的作用下，结构是否会发生破坏，破坏的情况是否严重，在一定程度上取决于结构的类型、结构的构造措施。砌体结构具体的震害表现在以下几个方面：第一，房屋倒塌。房屋倒塌有整体倒塌和局部倒塌，当底层墙体强度弱，地震力较大时，容易发生整体的倒塌，当墙体的整体强度较高，只是局部构件之间的连接出现问题时，表现为墙体局部的倒塌。第二，墙体开裂。当地震力产生的主拉应力比砌体自身的抗拉强度还要大的时候，会使墙体产生斜裂缝；外纵墙窗口的地方非常容易产生水平裂缝，究其原因，主要是楼盖自身的刚度小，横墙的间距设置的过大，地震力不能有效地传递给橫墙，从而引起裂缝；墙体上还会形成一些交叉的裂缝和竖向裂缝。第三，墙角破坏、纵横墙连接破坏。墙角刚好处于纵墙和横墙的交接处，要受到两个不同方向的地震力的作用，破坏形态多种多样，纵横墙体的连接部位，没有非常可靠的拉结，再加上施工时候砌筑质量不佳，忽视咬茬砌筑，容易出现应力集中现象，可能会产生竖向裂缝或者是墙体整体倒塌。第五，楼梯间的破坏。地震作用下，楼梯间两侧的承重墙体发生的破坏比较严重，主要是原因是，在砌体结构中，楼梯间的开间一般设置的不会很大，这就导致水平方向的刚度较大，当发生地震时，分担地地震力相对也较大，容易发生破坏。

三、建筑结构抗震设计的措施

（一）多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计措施

首先，考虑结构的选型。框架结构是由梁、柱构件承担水平和竖向荷载的结构体系，框架结构的优点是布置比较灵活，容易形成较大的空间，缺点是抗侧刚度比较小，所以当建筑物的高度较大，或者是对侧移控制较为严格时不适用。抗震墙结构是由纵、横双向布置的钢筋混凝土墙体共同承担水平和竖向荷载，相比框架结构而言，抗侧刚度、抗震性能好，但平面布置不够灵活、造价较高。框架---抗震墙是框架结构和抗震墙结构的组合，优势互补，在商住、会展等综合功能要求高的建筑物中大量采用。筒体结构是由纵、横双向布置的抗震墙或密布的框架柱形成平面闭合状结构，其整体空间刚度比其他常用结构体系更大，多用于超高层建筑中。其次，考虑抗震等级。严格遵守当地的设防烈度和抗震等级，根据建筑物的特点，选用不同的结构体系，并将其控制在规范规定的高度内。最后，遵守结构布置的一般原则。结构的平面布置外形追求简单、规则、对称，竖向布置要保证侧向刚度均匀变化，防震缝的设置要满足地震时的变形要求。

（二）多层砌体结构房屋抗震设计措施

砌体结构的结构方案和结构布置应当遵循以下的规定：首先，选择合适的结构体系，尽量选择横墙承重或者是纵横墙同时承重。其次，房屋的层数和总高度限值要符合相关的规定。研究表明，砌体房屋的高度越大、层数越多，震害就越严重。然后，限制房屋的最大高宽比。若高宽比较小，地震力引起的变形主要是剪切变形，若高宽比增大，会增加弯曲效应，增加震害力。最后，限制房屋局部尺寸。多层砌体房屋的窗间墙、凸出屋面的女儿墙等都属于抗震的薄弱环节，因此，抗震规范规定这些部位的局部尺寸限制。

四、结语

一般来说，将结构自身的承载力、刚度和延性进行适当的提高，是我们抗震的重点工作，实际上，这是一种比较被动的抗震措施。时代在发展，科技在进步，人们正在探索更加合理有效的抗震方式。例如，通过采用隔振和消能减震设计来实现抗震，这种方式比较积极主动，也是抗震方向的取得重大突破，很多国家都开始研究这种抗震方式，并且在工程中也得到了成功的应用。