建筑结构工程抗震设计的作用及措施

李世雷

（太原富力城房地产开发有限公司，山西太原 030000）

0 引言

为了进一步改善房屋结构抗震性能，本文以某房屋主建筑工程为例，对该工程的建筑框架结构及参数尺寸进行调整。该调整方案以刚度比、建筑结构技术作为优化工具，通过参数数值计算，加强纵向抗震性能，综合各项因素，确定参数控制方案[1]。统计结果表明，本文提出的增加混凝土墙体厚度、混凝土翼墙厚度两种方案，刚度比均在1.3 左右，符合抗震优化设计要求，对此类型房屋建筑抗震性能优化设计研究具有一定的帮助。

1 建筑结构工程抗震设计的基本要求

地震是目前受关注度较高的自然灾害。因建筑结构工程抗震设计要求必须反映现实性、经济性和安全性，并且在建筑结构工程抗震设计时，必须满足相关基本要求。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）给出了建筑物抗震性的“三水准、两阶段”的要求，“三水准”即“小震不坏、中震可修、大震不倒”[2]。当发生第一设防烈度地震也就是低于本地区地震设防烈度的多遇地震时，其结构在弹性变形阶段，建筑物通常可以正常使用，建筑物大多不受损坏或不需维修就可以继续使用。因此，在多遇地震中建筑物的极限承载力应当满足验算条件，并且建筑物的弹性变形不得超过规定的弹性变形极限。根据地震强度，发生第二设防烈度地震时就是相当于本地区抗震设防烈度的基本设防烈度，结构为屈服状态，进入非弹性变形阶段，可能形成局部损坏。但是，可以在经过一般检查和维修后继续使用。

2 建筑工程设计的总体要求

在进行建筑工程设计的过程中，首先确定项目的施工场地，对于中小型的工程，应该首先明确其抗震的设防烈度，如果符合要求，则进一步进行抗震设计，对于重要的建设项目而言，需要通过地震部门进行烈度鉴定，根据建筑的重要性差异进行等级划分，不同的建筑应用差异性的抗震措施，以确保实际的抗震性能效果，在明确建筑的平面形状、结构体系以及材料的基础上，做好一系列的分析计算，确定抗震设计的可行措施，同时也需要对建筑的结构、设备以及细节构造优化设计。

在地震的作用下，建筑受到破坏会产生严重的破坏力，深入分析研究抗震理论可知，在工程设计的过程中，充分利用客观规律，能够强化建筑的抗震效果。一般地震发生时，破坏力以及抵抗力之间会产生相互抵消作用，一旦发生地震，就会引发地面运动，从而产生场地的土地变形、坍塌以及液化，建筑作用力会衍生出次生灾害，作为承受地震作用的另一方建筑，其选址的位置、布局、构造以及结构类型、动力特征等各种因素也会对最终的抗震效果产生影响，因而在进行选址时，需要把握好各项影响因素，在综合统筹的基础上创新设计[3]。

3 房屋建筑结构设计中的抗震设计

3.1 抗震设计的重要性

近年来，我国城市地震发生较为频繁，造成了严重的经济损失，并且对人们的人身安全造成了威胁。从房屋建筑结构角度来看，当前大部分房屋建筑设计缺少抗震性能的优化，以建筑建设基本要求为主，因抗震建筑建设技术落后，刚度控制不佳，导致地震灾害对人们的生活造成较大影响。随着城市化的快速发展，城市人口密集度将持续增加，楼房建筑占据比例越来越高。为了打造便利的生活条件，很多楼房建筑以“底商+住房”结构为主，在底层设置了底商，以便人们购买生活必备品。所以，如何加强建筑结构抗震性能，减少地震带来的危害，成为当前建筑结构设计中亟待解决的重要问题[4]。

3.2 抗震设计基本原则

3.2.1 简化性

简化房屋建筑结构，对提升建筑抗震性能帮助较大。因此，在将抗震设计融入到房屋建筑结构设计中时，应尽可能简化建筑结构，避免过于复杂的设计。对于本文研究的底商型房屋建筑，需要预留足够的活动空间，从设计技术和性能提升两个角度出发，改善建筑抗震性能。

3.2.2 抵抗性

建筑抵抗性是保证抗震性能的关键，要求合理控制建筑结构中各个部位的刚度，使其达到标准要求，结合力学分析，检验建筑结构稳定性。当建筑遭遇地震时，加强房屋结构受力平衡，以此抵御地震带来的破坏。

3.2.3 整体性

建筑结构抗震设计要求设计全面，将建筑整体作为设计对象，仅提升某一部位的抗震性能无法达到预期效果。所以，要求科学且全面地分析各项影响因素，根据建筑所处地区实际情况，针对存在的震害提出抗震优化策略。

4 抗震设计在房屋建筑结构设计中的应用

4.1 设计前期的震害调查

据调查，我国城市大部分房屋建筑以3 层砌体结构为主，为了创造生活便利条件，在1 层设置了底商或者车库。这两种建筑中，纵向一侧无墙体颇多，选取混凝土作为墙体施工材料，打造梁柱结构。然而，此结构中柱截面偏小，与其项对应的墙面为砖砌体墙。除了第1 层以外，从第2 层开始向上数的其他楼层均采用常规砌体施工。从建筑结构布局角度来分析，此类型房屋建筑的上层建筑与下层建筑墙体不对齐，沿着竖向方向墙体存在不连续特点[5]。

当地震发生时，部分房屋虽然未倒塌，但是大部分房屋都出现了不同程度的损坏，导致居民无法正常在房屋中活动。例如，某商住房屋建筑，在遭受地震后，1层建筑结构发生扭转破坏最为严重。该建筑1 楼的梁柱结构利用混凝土打造，呈现“L”型，建筑的背面布设了砌体墙，其他楼层为常规建设。从结构分布来看，一层建筑较其他楼层建筑结构更为薄弱，稳定性较差，容易在地震时发生垮塌。

4.2 设计方案

对于首层是底商或者车库的房屋建筑，往往通过加强横墙承重来提高建筑稳定性，忽略了纵向抗侧力构件有效处理，导致建筑整体抗震性能薄弱。为了解决此问题，本文将此类型建筑看作多层砌体房屋，尽可能简化房屋建筑结构，从技术层面和刚度控制层面出发，提出可行性较高的抗震性能提升策略。

4.2.1 基于技术层面的设计

考虑到房屋建筑的纵向抗震性能薄弱，提出纵向抗震结构处理技术方案：①无论是底商还是车库，位于一层的建筑通行门轴线的处理非常重要，以抗震墙砌体设计要求，合理布设1 层钢筋混凝土框架结构，在纵向增加抗震墙数量，确保上墙体框架与下墙体框架能够对齐，检查梁柱对齐情况，严格按照建筑设计规范，有效控制建筑二层侧向刚度与沿着轴线处的一层框架结构刚度比值。②采用均匀布设方法，调整1 层建筑的轴线混凝土抗震墙，从原有的不均匀分布调整为均匀分布，要求以轴线为参照对象，两侧对称布置。如果1层建筑为单开门建筑，则以侧向刚度作为调整对象，重新布设1 层侧向刚度体系，从而避免地震期间产生扭转效应。③以外纵墙底层混凝土构件作为优化对象，其与横向墙体建立连接，打造整体稳定性较强的建筑结构。其中，抗震墙体和梁柱框架为重点优化对象。

4.2.2 基于刚度控制层面的设计

为了提升建筑墙的抗震性能，提升轴线竖向刚度显得尤为重要，要求严格按照建筑抗震性能设计规范，加强竖向刚度比设置，以位于底层框架中的抗震墙作为主要设计对象。依据震害调查结果可知，底部框架结构较为复杂，采用复合材料打造混合结构，不利于建筑抗震性能的提升。为了优化此部分设计，本研究利用以下刚度比计算公式对建筑抗震墙的刚度比进行计算分析。

式中：K1——房屋建筑底层刚度；K2——房屋建筑2 层刚度；∑Kω——混凝土抗震墙侧向刚度；∑Kf——位于底层的框架侧向刚度；∑Kbω——位于底层的抗震墙侧向刚度。

5 工程案例

5.1 工程概况

本文以某房屋建筑工程为例，根据抗震需求，设置建筑结构抗震设防等级为丙类。该房屋为7 层建筑，建筑体系采用砌体结构布设。其中，1 层作为车库，2 层以上作为办公场所，采用混凝土现浇筑方法建设。该工程总建筑面积约为365m2，纵向长度大约为19.25m，横向建筑长大约5.50m。由于工程建筑的纵向南侧无墙体，很难满足抗震性能需求。为了达到标准，本研究提出了两种抗震优化设计方案。

5.2 房屋建筑抗震设计方案

5.2.1 平面设计

1 层建筑高度3.3m，其他楼层建筑高度均为3.0m，内墙、外墙厚度分别为240、360mm，截住面尺寸大小为480mm×360mm。除了楼梯以外，一楼布设了5 个车库。图1 为建筑1 层平面设计。

图1 建筑一层平面设计（单位:mm）

2—7 层建筑平面结构的设计相同，均采用普通砖砌体墙布设，纵向框架结构对齐，外侧增加阳台部分，除了建筑高度不同，其余参数尺寸与1 层平面设计中的参数数据相同。

5.2.2 加固设计

为了加强建筑结构抗震性能，本文提出两种加固设计方案，如图2 所示。

方案一：在建筑两端开间位置采取增加墙体厚度的方式改善抗震性能。其中，混凝土墙体厚度调整为500mm，即在原来基础上增加了250mm。与此同时，在墙体上开洞，为库房使用提供便利条件。该方案的缺点在于车库数量减少了两个，但是车库使用舒适性明显提升，入门空间得以扩大。

图2 加固方案（单位:mm）

方案二：与加固方案1 不同的是，在原有建筑结构基础上，增加混凝土翼墙厚度，宽度大约300mm。该加固方案虽然可以保证车库数量不减，但是入门空间变得狭小，降低了使用舒适度。

5.2.3 抗震性能测试分析

上文提到的两种加固方案各具优势，对于其刚度比是否可以达到优化标准，需要进一步计算分析，如果刚度比在1.0～1.5，则认为此刚度比达到标准。根据有关统计结果显示，两种加固方案的刚度比均在1.3 左右，符合1.0～1.5 标准。因此，可以根据建筑使用需求，从中选择一种加固方案。

6 结语

房屋建筑抗震性能的提升是为人们提供安全活动场所的关键。只有改善建筑结构抗震性能，才能够减少地震灾害造成的损失，为人们的人身安全提供保障。本文以砌体房屋建筑为例，探究此类型建筑抗震性能提升策略。通过调查震害实际情况，提出抗震建筑结构加固方案。计算结果表明，两种加固方法均满足抗震性能要求。决策中，可以根据建筑使用需求，确定最佳抗震设计方案。