建筑结构抗震设计原则及设计要点分析

刘梦瑶 袁东胜

（1.菏泽市规划建筑设计研究院有限公司，山东 菏泽 274000；2.菏泽市建设工程勘察院，山东 菏泽 274000）

0 引言

随着科技的不断进步和经验的积累，人们对于建筑结构抗震设计的认知和技术手段也在不断提升。作为设计单位，全面了解建筑抗震设计的要点及难点问题，制定切实可行的抗震设计方案，对于提升建筑结构的抗震能力，确保建筑结构的安全性和稳定性至关重要。本文就建筑结构抗震设计原则及设计要点进行分析，仅供交流。

1 建筑结构抗震设计的基本原则

建筑结构的抗震设计要遵循整体性、简化性和抵抗性三大原则（如图1 所示），这是确保建筑物在地震中具备良好的抗震性能的基础。

图1 建筑结构抗震设计的基本原则

1.1 整体性原则

抗震设计的整体性原则是指在抗震设计过程中，将建筑结构作为一个整体进行考虑和设计，以确保其整体的稳定性和抗震性能。

（1）将整个建筑结构作为一个系统来考虑，而不是把它看作是由独立部件组成的集合。这意味着在抗震设计中，需要综合考虑建筑结构的各个部分之间的相互作用和协同工作，而不是单独对每个部分进行设计。通过在整体考虑的基础上进行设计，可以提高建筑结构的整体刚度和强度，从而增强其抵抗地震力的能力。

（2）抗震设计中注重结构的韧性和能量耗散能力。地震作用通常会引起结构内部的应力和变形集中，如果结构不能承受这些应力和变形而发生破坏，将导致建筑整体倒塌。为了增强结构的韧性，可以采用一些措施，如提高材料的延性和减震器的安装等。这些措施可以使结构在地震作用下发生一定的变形，从而起到地震能量的耗散和减缓破坏的效果，保护整体结构的稳定性[1]。

（3）抗震设计中注重结构的连续性和完整性。地震作用会引起结构的局部破坏和失稳，因此，通过增强结构的连续性和完整性，可以将地震作用传递到整个结构，减小局部破坏的风险。这可以通过采用适当的结构连接方式和加强结构节点的措施来实现。通过保持结构的连续性和完整性，可以增加结构的整体稳定性和抗震性能。

1.2 简化性原则

抗震设计的简化性原则是指在抗震设计过程中，通过简化结构的形式和计算方法，使其更加易于分析和理解。

（1）结构形式设计中尽量减少复杂性。复杂的结构形式往往意味着更多的构件、更复杂的连接和更高的制造成本。而抗震设计要求结构具备足够的刚度和强度来抵抗地震作用，但并不意味着结构越复杂就能够提高抗震性能。相反，简化结构的形式可以降低结构的自重和惯性力，减小地震作用对结构的影响，提高结构的稳定性和抗震性能。

（2）降低抗震设计中的计算复杂性。抗震设计需要对结构的受力和变形进行分析，比较常用的方法是采用有限元分析等数值分析方法。然而，这些计算方法往往需要复杂的计算模型和大量的计算工作，很难在实践中广泛应用。因此，在抗震设计中，可以采用一些简化的计算方法和规则，如等效静力法、固定节点法等，以降低计算复杂性，并能更方便地满足实际工程需求。

（3）抗震设计中注重结构的可行性和可操作性。抗震设计涉及众多的参数和约束条件，而实际工程往往有时间和经济成本的限制。因此，设计人员需要在满足抗震设计要求的前提下，考虑实际工程的可行性和可操作性。通过合理地选择结构材料、减少构件数量和尺寸以及优化构件布局等措施，可以提高抗震设计方案的可行性，降低工程的成本和风险。

1.3 抵抗性原则

抗震设计的抵抗性原则是指建筑结构应该具备抵御地震力量的能力，能够有效地抵抗地震力的作用，保障建筑物及其内部设备和人员的安全。

（1）强调结构的强度和刚度，这是抵御地震力量的关键。在抗震设计中，结构的强度是指其能够承受的荷载大小，而刚度则指结构的变形程度。通过增加结构的强度和刚度，可以提高建筑抵御地震力量的能力。因此，在建筑物的基础和梁柱等主要承重构件上采用高强度材料，并增加构件的截面尺寸和数量，可以提高结构的强度和刚度，从而增强建筑的抗震能力。

（2）结构需具备良好的耗能性能。地震时结构会受到冲击力，如果没有有效的能量耗散机制，冲击力会集中在结构某些部位上，导致局部损坏或倒塌。因此，为了保证建筑的抵抗性能，在结构设计中应引入一定的能量耗散机制。因此，在结构中设置可塑性构件，如橡胶隔震器、形状记忆合金等，当地震发生时，这些可塑性构件能够吸收地震能量，减小结构受到的冲击力，从而保护建筑的完整性。

（3）结构需具备良好的位移控制能力。地震力量会引起建筑结构的变形和振动，若变形和振动超过一定限度，就会导致结构损坏。在抗震设计中，需要通过一系列措施来控制结构的位移，确保结构在地震作用下的变形和振动在可控范围内。因此，在结构中设置剪力墙、加劲筋等，能够有效地抑制结构的变形和振动，提高结构抵抗地震力量的能力。

2 建筑结构抗震设计影响因素及难点问题

建筑结构抗震设计的影响因素很多，如图2 所示，这些因素相互作用，共同决定了建筑物在地震中的抗震性能和安全性。

图2 建筑结构设计中的抗震设计难点

（1）地震参数。地震参数包括地震烈度、地震波加速度等。不同地区的地震烈度不同，因此在设计中需根据地震烈度水平确定合适的设计地震动参数。地震波加速度是建筑物在地震中所受到的最主要的地震荷载，因此在抗震设计中，需要对地震波加速度进行准确的估计和分析，以确保建筑物具备足够的抗震能力。

（2）地基条件和土壤特性。地基条件指的是建筑物与地基之间的相互作用关系，而土壤特性是指土壤的固有性质和力学性能。不同地区的地基条件和土壤特性存在差异，如软土、砂土、黏土等，因此需要进行详细的土质调查和工程地质勘察。在设计时，需要根据土壤的承载能力、动力特性等，选择合适的地基处理方法和结构形式，以提高建筑物的抗震性能[2]。

（3）建筑结构类型和材料。不同类型的结构，如钢结构、混凝土结构、木结构等，其抗震性能和应力传递方式存在差异。设计人员需根据地震荷载和结构形式的特点，选择合适的结构类型和材料，以确保建筑物在地震中具有足够的稳定性和强度。此外，结构材料的力学性能和耐久性也是设计时需要考虑的重要因素，如材料的抗压、抗拉、抗剪强度等。

（4）施工质量。施工质量包括施工技术、施工过程中的质量控制，以及质检人员的监督等。施工过程中的疏忽和差错可能导致结构的脆弱性和不均匀性，增加建筑物在地震中的风险。因此，施工中要严格按照相应的标准和规范进行，确保建筑结构的质量达到设计要求。

（5）设计人员的经验和专业水平。在设计过程中，设计人员要全面了解抗震设计原理和规范要求，并具备足够的经验和专业知识。只有在设计人员具备高水平的专业素养和抗震设计经验的基础上，才能制定科学合理的设计方案，保证建筑物具备良好的抗震性能。

3 建筑结构抗震设计要点

3.1 建筑地基

建筑地基的选择、设计和建设对于建筑物的抗震性能有着直接的影响。

（1）地基的选择是抗震设计中的首要考虑因素之一。地基直接承受着建筑物的荷载和地震力引起的反作用力，因此，选择合适的地基类型对于保证建筑物在地震中的安全非常关键。一般来说，深基础（如桩基础、基槽地基）相对浅基础（如浅埋地基、扩建地基）更适合于抗震设计，因为深基础能更好地将建筑物荷载传递到较深的土壤层，减小地震力对建筑物的影响。

（2）地基的设计需要考虑地震力的作用。地震力会引起地基土体的震动和变形，对地基产生各种应力和破坏。因此，在地震设计中，需要根据地震力的特点和建筑物的特性来进行地基的合理设计。一般来说，地基应具备足够的强度和刚度，以确保在地震发生时能够稳定地承受地震力的作用。此外，地基的排水性能也需要充分考虑，以避免地下水位的变化对地基稳定性的影响。

（3）地基的施工质量直接影响地基的稳定性和强度。在施工过程中，需要确保地基的平整度、密实度和排水性，避免地基中存在松软、不均匀或不良排水的情况。同时，还需要对地基进行必要的检测和监测，及时发现并纠正施工中存在的问题，确保地基的质量符合设计要求[3]。

3.2 平面与竖向结构

合理设计和选择平面和竖向结构的形式和材料，可以提高建筑物的抗震性能，保证其在地震中的安全性。

（1）平面结构的合理设计。建筑物的平面结构包括建筑布局和分割等方面。在设计中，应优先选择不规则形状的建筑物，如L 形、十字形等，以减少地震力的集中作用。同时，在布局上，应考虑尽量将大型开间和重要设备等集中配置在建筑物的核心位置，以增加结构的稳定性。

（2）竖向结构的设计。竖向结构包括柱、墙和框架等组成部分。在设计中，应根据地震力的荷载特点和建筑物的高度、质量等因素，选择合适的材料和断面尺寸，并合理布置柱、墙和框架等结构构件。其中，柱的设置应尽量减少柱跨比和尽量增加柱的强度和刚度，以增加建筑物的抗震性能。墙体的设置则需要考虑刚度和抗剪能力，以增加整个建筑物的稳定性。框架结构的设计应注重框架节点的抗震性能和连接方式，以确保结构的整体稳定性和抗震能力。

（3）竖向结构的施工和质量控制。施工过程中，需要确保结构构件的制作和安装符合设计和规范要求，避免存在焊缝开裂、构件不牢固等问题。同时，在施工中还需要进行必要的检测和监测，及时发现并修复施工中存在的质量问题，确保建筑物结构的稳定性和安全性。

3.3 结构构件的形式和尺寸

合理设计结构构件的形式和尺寸，可以提高建筑物的抗震性能，确保其在地震中的安全性。

（1）合理设计结构构件的形式和尺寸。设计过程中，应根据建筑物的荷载特点和结构形式，选择合适的结构构件类型，如柱、梁、墙、框架等。在确定结构构件的尺寸时，需要综合考虑建筑物的重量、刚度和稳定性等方面。例如，在设计柱子时，应考虑减少柱子的高径比和增加柱子的截面尺寸，以提高柱子的抗震性能。在设计梁时，需要根据跨度和荷载确定合适的梁宽度和高度，以增加梁的强度和刚度。

（2）结构构件的接头和连接方式。在设计和施工中，需要保证结构构件之间的接头和连接具有足够的强度和刚度，以确保整体结构的稳定性和抗震性能。例如，在梁柱连接的设计中，应采用合理的焊接或螺栓连接方式，以确保连接处的刚性和韧性。在墙体和地基的连接中，需要采用适当的锚固和加固措施，以提高连接的可靠性和稳定性。

（3）结构构件的加固。对于已有建筑物，在抗震设计中，可以通过增加柱子、墙体的截面尺寸，加固梁、柱节点，增设剪力墙等方式来加固结构构件。此外，对于一些弱点部位，如柱子和梁的连接点、墙和楼板的连接点等，可以采用加固板、钢筋混凝土加固件等方式来加强这些部位的抗震能力[4]。

3.4 材料选择

材料的力学性能、耐久性以及抗震能力直接影响到建筑物的整体抗震性能。

（1）主要承重结构，如柱、梁、墙体等，建议使用高强度钢筋混凝土。高强度钢筋混凝土具有较高的抗压和抗拉强度，能够在地震中起到更好的承载作用。此外，钢筋混凝土还具有良好的韧性，能够在地震中发挥一定的延性，从而减缓地震作用产生的破坏效应。

（2）对于地震易发地区，建议使用预应力混凝土结构。预应力混凝土是通过在混凝土浇筑前施加预压力的方式来增加结构的强度和刚度，提高抗震能力。预应力混凝土具有较高的抗拉能力，能够在地震中减少结构的振动和变形，从而降低地震作用对建筑物的影响。

（3）使用抗震性能优异的新型材料。例如，钢结构具有较高的强度和韧性，能够有效地承受地震作用，因此在高层建筑和大跨度结构中广泛应用。另外，纤维复合材料具有轻质、高强度和高刚度的特点，能够在地震中减小建筑物的自重，提高结构的抗震性能。

4 结束语

综上所述，建筑结构的抗震设计要遵循整体性、简化性和抵抗性三大原则，这是确保建筑物在地震中具备良好的抗震性能的基础。建筑结构抗震设计的影响因素很多，包括地震参数、地基条件和土壤特性、建筑结构类型和材料等等，这些因素相互作用，共同决定了建筑物在地震中的抗震性能和安全性。为了提升建筑物的整体抗震性能，在建筑结构抗震设计中，必须重视建筑地基的选择、设计和建设；平面和竖向结构形式和材料的设计和选择；结构构件形式和尺寸的设计。