建筑结构设计中抗震设计要点

刘建辉

（湖北建艺风工程设计有限公司，湖北 荆州 434000）

我国是一个地震频繁的国家。在近代，罕遇地震给国家和广大人民群众造成了巨大的伤害。因此，在工程建设中从决策到技术层面“抗震安全”越来越受到关注。虽然目前的建造工艺突飞猛进，但对地震的研究水平还远远不够，还不能预测地震。虽然目前我国的地震烈度区划图在我国已经做得非常精准并且非常的科学，但它是基于有限的历史数据。在我国，大型地震或特大型地震有时也会出现在低烈度地区。同时，地震发生时，地震动的三要素存在较大不确定性，即使在同一地区，不同类型的地面运动在地震过程中对建筑物的破坏也不尽相同；地震还存在震级、传播路径、震中距离和震源机制等许多非确定因素，给地震研究带来了很多困难。

1 抗震设计的意义

地震活动是一种很难准确预测的自然灾难，以现在的技术手段不可能准确地对地震活动做出预测。但是依据现实条件，提前采取防护手段也是一种非常好的预防手段。对于非选择性、危险性大的地震活动，如何用科学的理念和技术来预防地震的损害、来减少地震造成的各种损失。现在，世界上绝大部分的国家都有各自的建筑抗震设计规范。小型地震不会对建筑结构造成损害，中型地震可以做到对建筑物进行加固建筑物仍然可以使用，在大型地震建筑物不会倒塌保证人员的安全。这一抗震设计原则得到了广泛的认可和推广，极大地提高了建筑结构的抗震性能。受到地震灾害影响过程中，如果建筑物的使用功能和所采用的结构布置不协调，那么结构体系的抗震性能难以得到有效利用。当出现破坏时，新建的建筑费用要比维修旧建筑的费用高。从经济成本来讲，是非常不合算的，所造成的经济损失是无法估计的，这是建筑结构抗震设计的首要任务。

2 高层建筑常见结构类型

2.1 框架结构

框架结构以框架梁、柱为主要承受荷载和地震作用构件。梁、柱等构件自重轻、易于标准化和生产定形，因此框架结构具有节省材料、空间布置灵活、便于实施装配式等优点。框架结构侧向刚度较小，水平地震作用下易产生较大层间位移，因此最大适用高度受到较大限制，以抗震设防烈度6度为例，一般不得超过60m。框架结构变形形态是典型的剪切型，结构竖向体型布置时，重点需要控制层间侧向刚度比和受剪承载力比，避免出现软弱层和薄弱层。

2.2 剪力墙结构

剪力墙结构以剪力墙为抗侧力构件，具有整体性好、侧向刚度大等特点，能适用较高的建筑高度。但是结构延性较差，与框架结构相比，空间布置受剪力墙最大间距的限制。剪力墙布置宜使结构规则、均匀、具有适宜性的侧向刚度，平面上宜双向布置使两个主轴方向刚度均匀分布，竖向宜上下连续避免造成刚度突变。另外，由于叠合错洞墙的应力分布复杂，在实际设计中应尽量避免门窗洞口上下错开，确实无法避免时，应特别注意洞口周围的受力分析计算和加强措施。

3 房屋结构抗震性设计原则

3.1 简化原则

结合以往的设计经验得知，在抗震设计过程中，所设计的结构形式越简单，传力越清晰明了，其抗震性能也越高，而且简单的抗震结构在进行力学性能计算时，其计算结果的可靠性和准确性也越高。对此，在应用设计中，可以结合实际情况适当简化房屋抗震结构计算模型，优化结构构件的传力途径，这样能够有效提升房屋建筑对建筑地震作用力的承受能力，全面提高房屋建筑在结构设计中的抗震性能。

3.2 整体性原则

展开建筑抗震设计时，设计内容不只是针对某一个建筑内的某一个部位，而是将抗震设计贯穿到整个设计过程中，从而提高建筑整体的抗震性能。在具体设计过程中，需要从整体性设计出发，使其满足各大指标要求。对各种可能影响结构抗震性的影响因素进行分析，借助数字模型对于结构参数进行优化处理，以此来提升结构本身的抗震性。而且对于构件需满足其抗震构造措施的要求，避免应力集中等问题的出现，从而提高结构本身的稳定性和可靠性。

3.3 规则性原则

建筑规则性原则内容主要体现在以下2方面：1）在建筑设计期间，需要沿着建筑物竖向均匀布置建筑造型和结构，避免刚度、承载能力和传力途径的突变，以限制结构变形的情况。2）建筑平面比较规则。平面内结构布置比较均匀，使建筑物质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。

4 抗震结构设计中的常见问题

4.1 结构参数设计不合理

进行抗震结构设计的主要目的在于，在地震灾害出现时，能够降低灾害带来的经济损失。从目前的应用情况来看，结构参数设计并不满足抗震要求，并且结构应力分布不均匀，降低了结构的耗能能力。另外，还应对结构的薄弱层或薄弱构件进行加强，并对一些复杂结构进行抗连续倒塌设计。

4.2 缺少可靠的验证方式

结合以往的设计经验，进行抗震设计内容合理性验证时，经常使用到的检验方法是：1）使用抗震模型来开展模拟检测；2）在地震发生后，对建筑完好情况进行检验；3）进行地震危害问题的分析。施工技术体系成熟度的增加，使得建筑工程内容的复杂度也在提升，若是直接进行抗震试验，很难得到可靠的反馈结果。因此，借助BIM技术、数字技术来建立建筑工程的三维模型，进行模型的抗震试验，以此得出建筑的抗震等级，为抗震设计内容调整提供数据参考。从实际应用情况来看，受预测技术成熟度的影响，不同模拟软件得到的模拟结果也存在不同，这也导致评估结果不一定与实际完全相符。所以，在地震发生后，应进行建筑工程地震震害检查，例如，对混凝土结构工程的整体性进行检查，包括：建筑物的整体外观、沉降观测、沉降差、沉降速率、建筑整体垂直度、整体位移及受震后易损部位的检查等。并且，根据检测的结果，研究地震对建筑物产生的影响和危害情况，为以后的结构抗震设计积累宝贵的经验。

5 建筑结构设计中的抗震设计

5.1 对二道防线的措施

本工程剪力墙作为结构抗侧力的第一道防线，第二道防线为钢筋混凝土柱与外框钢筋混凝土梁组成的钢筋混凝土框架，为保证第二道防线的可靠性，采取如下措施：1）在尽可能控制经济性能并不影响建筑功能的前提下，采取控制柱轴压比、增大柱截面与加大外框梁截面的方式以提高外框架的抗侧刚度，增加外框架的剪力分担比。2）通过框架剪力按0.2V0与1.5Vf，max调整的方式，提高外框柱强度储备，保证二道防线安全。

5.2 针对剪力墙的加强措施

为增强剪力墙的受力性能，改善剪力墙的延性，采取如下措施：1）严格控制加强区墙体在重力荷载代表值下的轴压比在0.6以下，对楼板洞口周边的剪力墙适当加厚。2）在较长墙肢中设置结构洞口，以减小单片墙肢的长度和刚度。3）底部加强区域内，提高角部墙体的约束边缘构件配筋率，提高加强区墙体的承载力和延性。4）严格控制剪力墙截面的剪应力水平，适当提高底部加强区剪力墙水平钢筋的配筋率，以提高剪力墙的抗剪承载力。5）底部楼板洞口周边剪力墙加强平面外墙肢约束，以提高其墙体稳定能力。6）在不影响建筑功能的情况下，剪力墙设置边框柱，并安规范要求设置暗梁。

5.3 依据抗震标准，规范平面及竖向设计

平面规则与建筑物的稳定性也存在一定的联系，这是设计人员在设计过程中必须考虑的因素之一。通常情况下，抗震建筑的平面是有一定标准的，比如，凹凸口的深度与宽度，平面长度不宜过长，不宜采用角部重叠或细腰形的平面布置。因此，结构平面布置应力求简单、规则、对称，避免刚度、质量和承载力分布不均匀。对于有较多凹凸口的复杂形状平面要进行特殊设计或采用一定的补救措施，以最大限度地保证建筑的稳定性。对于抗震高层建筑的结构竖向布置，应避免过大的外挑和收进，宜规则、均匀，结构的侧向刚度也应该做到上小下大均匀变化，竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

5.4 计算模型和整体分析方法

高层建筑内力和变形计算应当采用能够合理反映结构受力特性的计算模型。一般情况下应建立空间三维的整体计算模型，对于复杂高层和超高层建筑结构还应采用多种力学模型进行分析比较，确保分析结果的可靠性。高层建筑结构的计算模型应根据实际计算精度的需要，充分考虑不同工况对各种荷载效应的影响，如施工过程对重力荷载效应影响、不同风向及风向角对风荷载效应的影响、双向水平地震的耦合等。对于需要考虑结构动力响应、材料非线性的情况，应相应采取时程分析、弹塑性分析予以补充计算分析。在进行结构设计之前，还应认真分析判断力学模型的合理性和计算结果的准确性。

5.5 变形假定

进行重力荷载和多遇地震作用计算分析时，在几何非线性的影响可忽略不计的前提下，通常采用小变形假定简化计算。对于刚重比较小的高层建筑结构，可以采用内力和变形增大系数修正小变形假定下的线性计算结果的方法，近似反映二阶附加效应。在进行罕遇地震作用的计算分析时，对结构薄弱部位应补充相应的弹塑性变形验算，确保实现“大震不倒”的设计指标。

6 结语

在建筑结构设计过程中，抗震设计属于重要的设计内容之一，借助可靠的抗震设计，能够有效提升建筑结构的稳固性，降低地震发生时出现坍塌的概率。需要注意的是，所有的抗震设计内容需要严格遵守相应的建设规范，同时做好结构细节的设计工作，以此来提高建筑工程的综合性能，延长使用寿命。