房屋建筑结构设计中抗震设计理念的具体实践

张文海

（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

房屋建筑结构的抗震性能设计始终是建筑设计中的技术难点问题，抗震设计理念最终要反映在具体的技术层面。现阶段的建筑抗震设计集中在隔震、消震措施、延性结构、多种设防等层面，并在建筑场地选型、地基勘探环节也要考虑后期的抗震设计问题。在抗震设计理念和具体的抗震设计措施中建立联系有助于提高建筑物抗震设计的目标感以及合理性，既能保证建筑物安全，又能降低建筑物的造价。

1 房屋建筑抗震设计理念

建筑抗震设计从20 世纪10 年代发展至今，已经形成了多种理论模型，先后产生了静力理论、反应谱理论、动力学理论和基于性态的抗震设计理论，其中最后一种形成时间最晚（20 世纪80～90 年代），由美国科学家提出，是当前最重要的抗震设计理论模型。

我国的建筑结构抗震设计广泛运用这些成熟的理论模型，在抗震设计目标上形成了明确的要求，可总结为12 个字：大震不倒、中震可修、小震不坏。其中震级大小的判断标准为本地区的抗震设防烈度。以大震不倒为例，这一设计理念的涵义为当地震的震级高于本地区的地震设防烈度时，建筑物整体结构不倒塌，不至于引发严重的人员伤亡。

通常地震带覆盖的地区发生地震的概率和地震烈度都更高，按照《建筑抗震设计规范》，当一个地区的地震设防烈度＜6 时，建筑物结构可不做抗震设计；当地区的抗震设防烈度≥6 时，房屋建筑结构设计中必须考虑抗震设计方面的要求。抗震设防烈度反映出地震的强度，显然，该数值越高，代表地震的破坏力越强。抗震设防烈度与地震的加速度值相关，表1 中记录了抗震设防烈度与地震加速度值之间的对应关系。

表1 地震烈度及对应的基本地震加速度值统计表

2 房屋建筑结构抗震设计理念实践应用

我国的建筑结构抗震设计理念从防灾减灾的角度出发，提出了宏观性的要求，但这些理念的实现依赖于技术设计，包括地基、建筑结构选型、隔震消震措施等内容。

2.1 场地、地基和建筑基础

2.1.1 场地选择

选择合适的场地可有效避免不良环境造成的风险。例如，发生地震时有可能造成崩塌、滑坡、泥石流等一系列地质灾害，此类地质条件对于建筑抗震极为不利，属于危险地段的范畴。因此，选择房屋建筑场地时要提前规避不利和危险的地段。有利的地形为稳定的基岩、坚硬土、中硬土等。

2.1.2 地基勘察

在掌握建筑物外围环境后，需要进一步勘察地基条件。一是掌握是否存在软土、膨胀土等不良地质条件。建筑物的自然地基是影响其抗震性能的关键性因素，软土地质以粉土、淤泥质土壤、含水量较大的软黏土为主，其承载力、抗剪切性能都很差，不利于形成坚实稳定的建筑地基。二是勘察场地土的覆盖层厚度。地面反映土的周期及其强度受场地土的影响，场地土下层是坚固的基岩层，场地土越厚，地震对建筑物的破坏程度也越大。

2.1.3 建筑基础选型

建筑物基础是上层构筑物的主要承载结构，也是影响建筑物抗震性能的关键构筑物。天然地基具有一定厚度的覆土层，对于高度较低的建筑物可采用天然土层夯实的地基施工方案，如果为高层建筑物，天然地基的抗震效果不能满足要求。通常高层建筑采用桩基础、条形基础、片筏基础等。以桩基础为例，桩体打入天然土层后既能起到挤压密实的作用，同时又可借助桩基础达到坚固的持力层（如基岩），因此，其抗震效果比天然基土夯实的方案更加可靠。

2.2 建筑物结构规则性问题

建筑结构的规则与否对其整体的抗震性能具有深远影响。规则的结构在荷载分布上更加均匀和连续，整个建筑物上不存在明显的受力薄弱点，因此，在抵抗地震加速度时更加稳定。对称性是规则建筑结构的显著特点之一，常见的如矩形、正方形、圆形等结构形式。城市建筑设计不断追求个性化、艺术性，尤其是大型商业建筑，不规则的异型结构在建筑设计中出现的频率不断增加，由此也给抗震设计带来了更大的难度。人类历史上发生过的地震有力地证明了不规则建筑物的抗震性能较差，而对称规则的建筑物抗震性能通常更加优异。在《建筑抗震设计规范》中也提出要对不规则的建筑物加强结构抗震验算，如采用时程分析法对这种建筑物的抗震性进行补充计算。常见的不规则结构为承载力发生突变的建筑结构和竖向抗侧力不连续的建筑结构。

2.3 结构件变形提高抗震性能

现代化的建筑物多采用钢筋混凝土施工材料，但这类施工材料刚度大、能量吸收效果差，进而导致地震作用使建筑结构难以消散能量。所谓延性结构指的是建筑物上可通过塑性变形吸收地震能量的结构物。目前，已经形成了较为成熟的延性结构设计方法。

2.3.1 强柱弱梁

延性结构设计的关键是将部分建筑结构设计为可屈服、可变形的结构，柱体和梁体都是建筑物中的重要承重结构，梁体是建筑物中的延性结构，在地震时吸收能量，柱体必须全部设计为刚性结构。这一设计原则决定于梁体和柱体在建筑物中的作用。因为柱体为竖向结构，如果柱体可变形，在发生地震时很容易导致建筑物整体结构倒塌，这一点违背了“大震不倒、中震可修、小震不坏”的设计要求。梁体的屈服变形既能吸收地震能量，又不会造成结构倒塌。

2.3.2 强剪弱弯

钢筋混凝土梁、柱结构在地震作用下可发生剪切破坏和弯曲破坏，但这两种破坏形式所产生的危害却大不相同，剪切破坏对建筑物的危害更大，剪切作用下导致建筑物的强度和刚度大幅降低。弯曲破坏属于典型的延性破坏，可吸收地震能量，同时降低建筑物破坏的严重程度，如图1所示，从结构层面进行抗震。因此，在建筑物结构延性设计中提倡“强剪弱弯”。设计要点是确保抗震框架梁在箍筋加密区剪力设计值大于弯矩设计值。通过科学的配筋设计，使建筑物梁体在受弯破坏前不可出现剪切破坏的情况。

图1 框剪结构的抗震设计

2.3.3 强节点，弱构件

建筑物的梁体、墙体、柱体等结构之间存在连接节点，当建筑物的节点在地震作用下失效时，与之相连的各种构件必然也会失去承重作用，但如果某个节点上的个别构件失效，其他构件还在继续发挥作用。显然，节点失效的危害远高于构件失效。强节点、弱构件指的是节点的强度要高于各个构件，即使在地震作用下失效，也必须优先保证节点的可靠性。

2.4 多重设防

在建筑抗震设计中，多重设防是一种有效的思路，其原理是在建筑物结构中设计多道防线，以结构物的塑性变形吸收能量，强度较弱的结构先发生延性变形，当其破坏后再危及下一道防线。例如，在钢筋混凝土剪力墙—联系梁结构中，联系梁将作为第一道防线。联系梁的主要作用是将建筑物分体结构连接为统一的整体，高层建筑中在每一层都可设置联系梁。地震时，联系梁增强了建筑物的整体性，联系梁破坏后才会危及分体建筑。再如，砌体—构造柱结构也是多重设防的典型例子。当砌体墙宽度较大时，其中间部位成为薄弱点，并且砌体墙的拐角部位也存在类似问题，构造柱设计在墙体的接合部位，提高砌体墙的整体性，进而强化其抗震性能，构造柱成为抗震的第一道防线。可见，多重设防是一种行之有效的抗震设计理念，尤其是弥补了建筑物中较为松散和薄弱的结构。

2.5 隔震消震设计

2.5.1 隔震设计

地震作用产生自地下震源部位，通过基岩、自然土层等传输到建筑物基础上，进而作用于上层构筑物。在传统抗震设计思路中将重点放在提高上层构筑物的耗能水平和结构强度上。隔震设计的思路是在建筑物基础结构上增加隔震装置，这种装置通常为柔性连接，具有较强的塑性变形性能，当地震波作用在建筑基础上时，由隔震装置吸收大部分能量，避免其传递到上层的刚性结构上。典型的隔震装置为隔震橡胶支座，如图2所示。安装了隔震支座的建筑物在地震作用下可延长自震周期，地震所产生的水平加速度在这种情况下可降低50%～60%，抗震效果优异。

图2 隔震橡胶支座示意图

2.5.2 消震设计

消震设计主要利用具有消震、减震作用的装置抵消地震所产生的能量，降低其破坏作用。阻尼器是一种典型的消震装置，通常设置在超高层建筑物上。阻尼器的抗震原理是当建筑物受到地震作用而产生摆动时，阻尼器的摆动方向与建筑物的摆动方向相反，从而抵消能量。目前的消震设计方法具有多种技术路径。例如，在建筑物的中上层位置布置较大的质量块，上海中心大厦就采用了这种设计方案。另一种是在大楼的支撑柱上设计交叉斜撑。

3 结语

我国的建筑物抗震设计理念充分体现出防灾减灾的基本思想，强调在大震中不可出现倒塌，以免造成较大的人员伤亡。实现建筑抗震设计理念离不开各项抗震技术。现阶段面临的问题是建筑物的场地、地基和基础，场地选择要规避危险和不良地段，地基避免不良地质条件，基础方面推荐人工建造的刚性基础。消震隔震技术是当前较为先进的抗震设计，隔震装置在保护建筑安全性基础上，消震装置可以降低地震的能量。延性结构、多重设防也是优秀的抗震技术措施。