基于性能的建筑结构抗震设计

杜若红

(兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州730050)

随着建筑行业的快速发展以及人们生活水平的提高，对建筑物的质量和抗震能力提出了更高的标准，建筑的设计单位开始逐渐重视抗震效果和抗震水平的进一步提高，保证建筑物的抗震效果能够达到小震不坏、中震可修、大震不倒的要求。建筑单位开始关注基于性能的建筑结构的抗震设计，针对在设计过程中存在的危险因素进行及时排查，来保证建筑物的安全性和抗震性。

1 抗震技术在建筑结构的应用

1.1 主动控制技术

主动控制技术是指通过建筑物使用外部的能源来进行增强建筑物本身的抗震效果。添加外力之后与地震所产生的作用力进行有效对抗，形成一个反向的动力，减少地震所带来的强大推动力来实现建筑物的防震效果。主动控制技术的工作原理是指建筑物在外部设立多个传感器，通过对地震的反应和激励作用来进行触发响应后，在科学技术和计算机技术相结合的情况下，将信息进行及时传递，计算出地震作用力的具体数值，再借助建筑外部的驱动系统来有效对抗地震作用力。现阶段我国所采用的主动控制技术主要有防风板、动力脉冲设备、阻力设备等。

1.2 被动控制技术

被动控制技术是指将建筑物内部的系统支撑点进行扩张，形成一个小部分的结构动能增加。现阶段我国使用被动形式的控制技术主要运用在一些建筑物的减震、防震功能设计当中。减震防震技术主要是将建筑物本身作为依托来实现有效的内部抵抗地震作用力的控制结构，将地震产生的作用力通过科学技术和相应的设备进行有效的作用力阻断，减少地震给建筑物带来的破坏性，最终实现建筑物有效防震的效果。现阶段我国采用隔离震动的设备包括了混合、隔离、支撑、摆动等诸多设备技术。而消能减震技术主要是通过外部一些小的构件来组成内部系统的元件，通过这些小构件来进行阻隔地震所带来的动能。为了更好地对抗地震所带来的动能，一些地区采用阻力器，耗能元件来对抗小的震动，风和作用力来对抗震动以提升整个建筑物的抗震强度。同时阻力器、耗能元件也会随着地震的强度进行改变，通过将地震所带来的动能进行有效地吸收转化来减少建筑物的晃动频率更好地保证建筑物能够小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震目的。

1.3 混合控制技术

建筑当中采用混合管理控制技术是有效的，将被动控制技术和主动控制技术进行有效融合。通过管理者有效地进行管理和科学技术的应用，有效地将被动技术和主动技术的优点进行结合，增强了建筑物内部和外部的抗震效果。被动控制技术适用性很强，主动控制技术的抗震效果最好，但是两者都存在缺陷，被动控制技术容易出现检测漏洞的问题，而主动技术则过于依靠外部的能量控制，且结构系统的构建复杂，难以进行有效普及。然而混合管理技术的抗震效果远高于单一使用主动控制技术或者是被动控制技术，所以我国很多建筑单位多采用混合管理技术来作为自身的抗震技术。

1.4 半主动控制技术

半主动控制技术可以在建筑物面临地震来临时，通过对于自身结构的控制，根据地震的作用力大小来调整控制结构数据，来进行对抗地震所带来的作用力。这项技术不像主动控制技术，过于依靠外部能源和力量，只需要建设一些弱电设施，就能够有效保证建筑物的抗震效果。半主动控制技术的使用对象是技术开关，以及有效控制弱电装置的使用状态和优化对抗地震作用力的动能。虽然现阶段我国对于地震来临时的预防灾难的措施和技术还存在不足，但是我们可以通过提升建筑物本身的抗震水平，不断优化我国抗震技术，必然可以在未来有效地进行预防地震，减少甚至是消灭地震对于建筑物的破坏(见图1)。

2 基于性能的建筑结构抗震设计的主要理论

对于抗震设计，基于结构性能的主要理论包括地震设防水平结构、抗震性能目标、结构性能水准等。

2.1 地震设防水平

建筑物的地震设防水平是指在设计整个建筑物图纸的过程中对建筑物的建设环境和设计目标来做好相应的数据参数考量。我国普遍采用“三水准”地震设防水平作为我国标准化的地震设防水平。虽然“三水准”地震设防水平有效地给我国建筑提供了地震设防水平的标准，但是由于对不同等级的设防水平存在巨大的差异和问题，使得第一级和第二级水准的重现期和超越概率都存在很大差异，这使得建筑物的设计不仅增加了成本，而且还存在危险性。

2.2 抗震性能目标

抗震性能目标是指对于建筑物对抗地震所能达到的性能水平或者是等级。对于建筑物的性能目标是要根据当地的地震频率、人民居住的数量情况、土地的结构性质、建筑所在地区的文化价值、社会效益等多种因素来进行构建的。结构抗震性能目标也是体现建筑物和当地对于抗震设防水平和结构性能水平的具体体现和综合的反应能力。

2.3 结构性能水准

结构性能水准是指建筑物在面临地震时最大能够承受的预期损伤。2004 年，我国相关的专家学者总结世界上对于地震的经验和技术，参考了大量的数据文献，并结合我国实际建筑结构编写了《建筑工程抗震设计性态通则》，并在该通则当中对于我国建筑物的结构性能水准有明确的要求，标志着我国对于建筑物的结构性能水准已经与国际接轨。但是还有一些不足，在一些具体的性能和力学指标上无法给出具体的标准和说明。

3 我国现阶段对于抗震设计理论存在的一些问题

3.1 过于重视抗震结构强度,忽视性能建设

我国现阶段许多建筑物的设计单位过于重视建筑物的整体承载能力以及抗震结构强度，忽视了由于外界和内部等多种因素下对于建筑结构的性能设计提升。而且许多设计单位设计人员所学的理论中，都是过于强调建筑的主体结构应对地震时的抗损能力，而忽视了许多微小细节对于控制建筑物损失的能力不足，而且还缺乏抗震损失的经济评估准则。

3.2 设计理念过于保守

我国许多设计单位的设计人员的设计理念多是保守型，对于一些新技术和设备缺乏相应的适应能力，阻碍了新的科学技术和设施在我国建筑物抗震设计中的融入。而且许多设计人员在进行建筑的抗震设计过程中，缺乏对于现场施工的了解以及对建筑性能的充分考虑，只是盲目地照搬过去一些抗震设计的规范和标准，没有对实际情况进行充分考察，就制定刻板的设计方案。

3.3 抗震指标不清晰,理念不明确

我国现阶段对于建筑物的设计理念和设计方法针对抗震效果的具体数值和规定都不甚明确。而且在一些地区的建筑单位建设者缺乏相应的抗震知识和抗震的理念，对于建筑物建设完成后是否能够建立抗震性能和抗震能力都无法进行有效地自身判断。

4 增强建筑物抗震设计的具体操作

4.1 设计过程中明确设计规则和方案

建筑单位在规划建筑物的设计过程中，要明确具体规则并对相应建筑物的规划进行有效布置，通过对我国一些地区抗震数据进行有效的分析，结合当地发生地震的频率，对建筑物的抗震效果做好相应的规划和设计。通过设立平立面可以有效提升建筑物的抗震能力和减少地震对建筑物的破坏。所以建设单位要明确对于建筑结构的抗震规则，多从建筑物平立面的外形、测力承受力等角度进行充分考虑。对于建筑物外部，要保证其对称性和均匀性，减少不必要的复杂结构，增强建筑物的抗扭能力(见图2)。

图2

4.2 设计过程中考虑建筑物自身重量的问题

建筑物在地震来临时会造成巨大破坏，不仅是由于地震所带来的动力所引起的，还有可能是由于建筑本身的质量问题。因此，在对建筑物进行具体开工前，保证地基等具体设施条件不变的情况下，尽可能减少建筑物本身的重量和增加其设计质量。通过对我国地震灾害的数据调查显示，土质属于软土层的地区，如果建筑层数过高，建筑的结构属于头重脚轻，地震对建筑物的破坏程度会远高于其他地区同楼层的建筑。

4.3 减少地震的能量输入

建筑物抗震效果的具体体现就在于设计过程中能否对地震所带来的最大破坏力提前预测，并对建筑物的结构的形变能力做好提前的调整和规划。对于建筑物的结构形变数值，设计单位应该对当地的具体情况进行充分调查以及对相应的公式进行有效运算，来保证建筑物的形变能力能够充分适应地震的最大破坏能力，减少地震给建筑物带来的能量输入。

4.4 抗震性能设计方法

提升抗震设计性能的方法主要有位移影响系数、直接位移设计等。位移影响系数法主要是通过对结构性能的设计。做出最大期望位移值的判断和设计，通过模拟地震作用力，整体判断建筑物的抗震效果。直接位移设计法，通过对建筑材料的极限数据进行预期的位移判断，来得到建筑物的抗震性能的实验数据。位移影响系数法无法具体展现建筑物某一层楼的损坏情况，是属于整体性的大体评估。而直接位移设计法的局限性就是无法测量建筑材料极限数据之外的抗震效果。

5 结束语

通过对上文的描述和分析，基于建筑物结构性能的抗震设计是一个新型的建设领域和技术，它与传统的防震设计相比更具有科学性、系统性、适应性和连贯性，能够有效地提高我国建筑物的抗震体系构建。政府和建筑单位必须要清楚地认识到建筑物的结构抗震效果以及建设水平高低，这直接关乎我国居民的人身安全和财产安全。只有不断地对我国建筑的防震设计和防震技术进一步优化升级，才能更好地保证我国居民的人身安全和财产安全。