建筑结构设计中的抗震结构设计要点探析

文／黄拓军 安徽筑远规划建筑设计有限公司 安徽合肥 230000

引言：

抗震性能是评价建筑工程安全性中所使用的重要指标，因此，在进行建筑结构设计的过程中，需要加大对抗震结构设计的关注度，着力针对建筑物结构薄弱环节实施加强处理，推动建筑结构整体的抗震性能提升，体现出对由地震灾害引起损失的有效控制与降低。

1、建筑结构设计中抗震结构设计的主要原则分析

第一，简化原则。建筑结构设计的简单程度能够对结构抗震性能产生较大影响，通常来说，在建筑结构相对简单的条件下，受到这种结构形式在力传导方面优势性的影响，表现出的抗震性能也维持在较为理想的水平[1]。实践中，需要切实参考建筑物现实情况，对抗震结构模型实施简化处理，促使结构构件传力途径进一步优化，从而达到推动建筑物结构抗震性能增强的效果。

第二，整体性原则。抗震结构设计所面向的是整个建筑物，而并非为建筑物内的某一部分。所以，在实际的抗震结构设计期间，即便相关设计人员针对其中某一重点部位进行优化设计，也要在此过程中落实对局部构件与整体结构之间关系性的考量，具体来说，就是要切实考虑局部构件优化处理后会引发的建筑物整体结构变化情况，避免集中应力问题的发生，促使整个建筑物结构的稳定性以及抗震能力有所提高。

第三，规则性原则。设计建筑物抗震结构时，需要尽可能保证沿竖向均匀布置建筑造型与结构，规避承载能力、刚度、传力路径等突然发生变化的现象出现；尽可能保证平面内不同结构实现均匀布局，规避结构刚度与质量之间“偏心”现象的出现。

2、建筑结构设计中抗震设计的主要内容分析

在进行建筑结构设计的过程中，优化抗震结构设计是保证整个建筑物结构抗震性能达到理想水平的重要举措，在延长建筑物使用年限、提升建筑物使用安全方面发挥着重要作用。通常来说，在实施建筑结构设计中抗震结构设计工作中，需要着重把握的要点内容包括考量构件的性能要求、重点部位的抗震设计以及科学的应用抗震装置，具体如下所示：

2．1 考量构件的性能要求

对于不同构件的刚度、稳定性以及承载能力要求落实全面性、综合性考量，并确保在实际的建筑抗震结构设计中能够对上述要求进行切实满足，保证所有构件均能够达到预设的抗震标准要求与等级要求。例如，在针对框架剪力墙结构展开设计的过程中，由于剪力墙是建筑物抗侧力的主要构件，所以在实际设计中要重点维护其稳定性与可靠性，确保框架剪力墙结构具备良好的抗侧能力以及承载能力。

2．2 重点部位的抗震设计

想要更好提升建筑物结构整体的抗震能力，就需要在实际的设计过程中强化落实对重点部位的抗震设计，依托局部强化推动结构整体抗震性能的增大。在此期间，要求相关设计人员结合分层优化设计的方式，针对建筑物各个楼层落实细化分析，明确不同楼层的实际受力情况、重点构件之间存在者的强弱关系，并以此为基础落实对所有重点构件的深化设计与处理，最终达到助推整个建筑物结构抗震性能提高的效果。需要注意的是，在展开建筑物结构局部优化处理期间，要重视对局部构件与整体结构之间关系性的考量，换言之，就是要切实考量局部构件优化处理后会引发的建筑物整体结构变化情况，保证建筑物整体结构性能向着更优质、更为理想的方面发展。

2．3 科学的应用抗震装置

现阶段，抗震装置随着科学技术水平的发展而不断出现，并逐步得到广泛利用。依托抗震装置在建筑物结构中的加设，能够达到整体增强建筑物结构抗震性能的效果。因此，在进行建筑物抗震结构设计期间，可以结合建筑物防震现实要求，合理选用、投放抗震装置。

例如，抗震阻尼器是目前在建筑工程中较为常用的一种抗震装置，主要用于抗震设防烈度较高的建筑结构设计中。实际使用过程中，主要通过在建筑结构内安装阻尼器来耗散地震能量，从而达到减震的效果[2]。相比于传统抗震结构体系而言，抗震阻尼器一改以往的“被动抗震”转变为“主动抗震”，即主动在结构中加入耗能装置来控制结构的地震反应，所以安全性与经济性更为理想、适用范围更广，且不会对建筑上部结构布局造成较大影响，更加适合当前建筑技术的发展。

3、建筑结构设计中抗震设计的实例分析

3．1 项目概述

某抗震设防烈度为8 度的商业住宅综合楼，地下一层为非人防地下车库，地上一至五层为商业，六层及以上部分均为住宅。项目总占地面积为28391．1m2；本项目中共完成2 栋主体建筑物的设计与建设，总建筑面积约为38787．8m2，结构形式均为框架剪力墙结构，下面以1号楼为例分析结构设计中的抗震设计。本项目中主要建筑的特征如表1所示，本项目中一层结构平面布置如图1所示。

表1 主要建筑的特征

图1 一层结构平面布置图

3．2 建筑抗震设计规范

本工程结构设计过程中，着重围绕《抗震设防分类标准》（GB50223-2008）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中的相关要求与规定完成建筑抗震设计。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及地勘报告，本工程基本设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0．20g，所在场地设计地震分组为第二组；场地类别为II 类，场地特征周期为0．4s；多遇水平地震影响系数最大值为0．16。本工程建筑功能为商业和住宅，其中商业部分面积约4000m2，根据《抗震设防分类标准》（GB50223-2008），本工程的抗震设防类别为丙类。本工程为框架剪力墙结构，建筑物总高为95．5m，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3．9．3条及表3．9．3 可以查出，本工程框架剪力墙结构中，框架抗震等级为一级、剪力墙抗震等级为一级；结构嵌固端为地下室顶板，剪力墙加强部位为基础顶至三层顶标高。

3．3 建筑结构抗震设计要点

（1）建筑结构材料的选择

建筑物结构构件位置的不同，构件承受的荷载及内力也大不相同，因此混凝土材料选择也存在着明显的差异性。经过反复试算确定不同部位构件的混凝土强度等级如下：筏板基础混凝土强度等级采用的C35；框架柱、剪力墙的混凝土强度等级：负一层至五层为C50，五层至十三层顶为C45，十三层至十七顶为C40，十七层至二十层为C35，二十层以上为C30；梁、板混凝土强度等级均为C30。

二次结构中的圈梁、构造柱等部分，混凝强度等级均采用C25。

本项目中所有钢筋均采用HRB400 级钢筋，钢筋的强度标准值应具有不小于95%的保证率；抗震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件(含梯段)，其纵向受力钢筋应采用抗震钢筋(带“E”钢筋)。

（2）抗震结构布置

本工程设防烈度较高，建筑物高度接近100m,因此抗震计算需要的抗侧力构件也相对较多，采取框架与剪力墙 (单片墙、联肢墙或较小井筒)分开布置。建筑物底部5 层是商业，内部需要较大的空间，布置剪力墙受到建筑功能的限制，竖向构件尽量采用截面长度较小的框架柱；6 层及以上是统一户型的住宅，建筑功能对结构布置的限制较小，竖向构件尽量采取截面厚度较小的剪力墙。为兼顾建筑使用功能上、下不同的需求，本工程结构形式选用框架剪力墙结构,其中剪力墙是主要的抗侧力构件。北面楼、电梯井附近建筑墙体较多，将剪力墙布置成一个相对围合的剪力墙筒；山墙长度较大，且开洞少，Y 方向可以布置较长的剪力墙，X 方向布置较短的翼墙。由于北面剪力墙筒刚度较大，南侧需要减小剪力墙间距，增加剪力墙长，以达到抗侧力构件均匀布置的目的。建筑物底部五层的内部需要较大开间的位置，布置成抗压承载力较大的框架柱。本工程中标准层结构平面布置如图2所示。

图2 标准层结构平面布置图

由于抗震设防烈度高且房屋总高度较大，结构整体计算时，多遇地震作用标准值产生的楼层最大弹性层间位移达到1/720，不能满足规范1/800 的要求。因此在结构方案设计时，布置了一个减震设计的方案进行比对：Y 方向各层在1、2、9、10 轴设置四个粘滞阻尼器，X 方向各层在A、B 轴设置三个粘滞阻尼器。经计算，通过增加阻尼器，结构的附加阻尼比可以达到4．5%，即结构总的阻尼比达到9．5%，有效减小了水平地震作用，此方案下的楼层最大弹性层间位移为1/855,满足规范的限值要求。标准层阻尼器平面布置图如图3所示。

图3 标准层阻尼器平面布置图

（3）地震作用计算

根据规范要求，本工程不进行竖向地震作用计算，按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第四章采用阵型分解反应谱方法计算水平地震作用。本工程抗震设计时，多遇地震作用下水平地震影响系数最大值取0．16，建筑结构的阻尼比取0．05，结构的计算自振周期折减系数取0．75。

（4）抗震措施

第一，设置防震缝。根据《建筑抗震设计规范》（GB5 0011-2010）6．1．4 条，防震缝可以结合沉降缝要求贯通到地基，当无沉降问题时也可以从基础或地下室以上贯通。本项目1、2 号楼房屋总高度相差12m，建筑物相邻结构构件之间存在较大重力与刚度差异、楼板之间存在着较大的错层，因此在两个单体之间设置抗震缝。依托防震缝，能够将整个建筑物结构细化为2 个个体单元，并确保这些个体单元之间所具备的刚度、重量均维持在一致水平，避免在发生地震的条件下相应建筑物产生更加严重的破坏。按6．1．4 条规定，本项目1、2 号楼之间抗震缝宽度取350mm。

第二，内力调整。本工程的剪力墙、框架柱、框架梁内力计算时，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》第6．2节、7．2 节、8．2 节进行内力调整，其中剪力墙抗震等级为一级，框架柱、框架梁抗震等级均为一级。

第三，抗震构造措施。在进行剪力墙、框架柱、框架梁的截面时，所有构件按高规第6．3、6．4、7．2、8．2 节满足构造要求。本工程剪力墙抗震等级为一级，底部加强区范围内剪力墙厚度除了满足计算要求外，尚不应小于层高的1/20 和200mm。由于一、二层层高为5400，加强剪力墙厚度取300mm。加强区以上剪力墙厚度根据计算结果逐渐减薄。本工程框架柱抗震等级均为一级，中柱、边柱纵向受力钢筋最小配筋百分率为0．95，角柱纵向受力钢筋最小配筋百分率为1．15；柱端加密区箍筋最小直径为10mm。本工程框架梁的抗震等级为一级，纵向受力钢筋最小配筋百分率跨中取0．30，支座取0．40，框架梁端加密区箍筋最小直径为10mm。

第四，非结构构件加强措施。本工程中非结构构件主要是建筑物的填充墙。设计时根据建筑填充墙平、立面布置，对填充墙采取灰缝内设置通长拉结筋、墙内设置构造柱和圈梁的加强措施，促使墙体、构造柱以及圈梁保持紧密结合的状态，以此在建筑物内构建起稳定性相对较强的空间骨架，促使建筑物结构的稳定性以及强度增大，提高建筑物墙体的应变能力。依托这样的设计，能够在发生地震的条件下，保证建筑物墙体的“裂而不倒”。要求依照“砌墙-逐段柱身”的顺序组织建筑物结构施工，并使用现浇钢筋混凝土，保证构造柱结构的牢固程度达到预期。在进行构造柱、圈梁的设计过程中，还要着重把握构造柱、圈梁的最小截面及配筋。另外，对位于楼梯间及人流通道两侧的填充墙，应采用钢丝网砂浆面层,镀锌钢丝网眼目规格不大于20×20，钢丝直径不小于1．0，固定钢钉间距不大于300，钢丝网片应与主体结构可靠连接。

（5）细节设计

由于本项目抗震设防烈度较高，房屋总高接近规范限值，在水平地震作用下建筑物的水平位移较大，除了上述内容外，在进行本项目建筑物防震结构设计过程中还重点落实了细节性设计与处理，具体如下：第一，为避免砌体填充墙对框架结构造成较大影响，对所有填充墙采取特殊处理，如所有填充墙在主体结构施工完毕、梁变形基本稳定后砌筑，填充墙的构造柱顶预留20mm 厚用柔性材料填充，以此确保减少填充墙对主体结构刚度的影响。第二，在设计中充分落实对高层建筑所具备特殊性功能的考量，针对楼梯结构落实了强化设计，确保能够更好应对使用中建筑物内人口密度较大、人员流动量偏高的现象。实践中，楼梯主要在建筑物内部的中央位置设置，并在特殊区域对尽端开间引入专项强化处理；对于楼梯间附近没有剪力墙时，各楼梯梯板下端按滑动支座设计、施工。第三，针对附着于建筑物外墙、屋面结构上的非结构构件着重落实深化设计，保证这些非结构构件可以始终与建筑物主体结构之间保持可靠性连接或锚固状态，防止在发生地震条件下发生非结构构件倒塌、坠落伤人或砸坏设备等问题的出现。本工程屋面造型中的女儿墙高达4200mm，设计时将顶层框架柱、部分剪力墙往上延伸到女儿墙顶部，确保女儿墙的安全性。

结语：

综上所述，抗震结构设计是建筑结构设计中的重点内容，在延长建筑物使用年限、提升建筑物使用安全方面发挥着重要作用。在实施建筑结构设计中抗震结构设计工作中，需要着重把握简化原则、整体性原则、规则性原则的基础上，充分考量构件的性能要求、重点部位的抗震设计、科学的应用抗震装置，并结合建筑物性质落实细节性处理与设计，提升抗震结构设计的合理性与实效性，推动建筑物整体结构抗震性能的提升。