探讨建筑抗震概念设计

摘 要：建筑结构抗震概念设计是一个系统工程， 其将从根本上改变以计算设计为核心的设计、校核与评估手段， 它将结构抗震的基本理论、国内国际通用的设计规范与多年来在结构抗震第一线设计、施工与检测的工作者们总结出的经验切实结合。无论是规划选址、总体布置还是建筑方案、细节构造都紧密的配合起来发挥出最优的抗震能力。

关键词：建筑抗震；概念设计

前言

地震多发生在距地表几十公里内的地壳层和地幔层的上部。按成因地震可分为四种类型：构造地震、火山地震、冲击地震、诱发地震。其中构造地震占绝大多数。地震的破坏程度与震级、震源深度都有关系。震级是地震发生强度的一种度量，地震越强，震级就越大。震级相差一级，能量相差约30倍。地震震级和地震烈度不同，震级代表地震本身强弱，烈度表示同一次地震在地震波及的各个地点所造成的影响程度，它与震源深度、震中距、方位角、地质构造以及土壤性质等因素有关。地震烈度是在没有仪器记录的情况下，凭地震时人们的感觉或地震后工程建筑物破坏程度、地表的变化状况而定的一种宏观尺度。一般来说震级越大、震源越浅、震中距越近，地震烈度越大。宏观的地震烈度加上各国抗震规范规定的与之相应的地震加速度，就成为指导抗震设计的依据。

一、抗震概念设计原则

建筑物的体形是否对抗震有利是抗震设计首先遇到的问题。结构布置的不规则常常难以避免，但不规则的布置却使结构性能复杂化，如果不认识到这一点，可能导致始料不及的破坏，甚至倒塌。对不规则结构布置的识别和为避免或减缓其负面影响而采取补救措施的概念依赖于对结构性能的正确理解。

1 、建筑形状力求规则和简单

历次地震震害经验表明：简单和规则的结构遭遇地震后的破坏较轻。通常认为简单的结构其受力性能比较明确，设计时容易分析结构在地震作用下的反应和内力分布规律，且结构细部的构造也好处理。形状的简单和复杂又是怎样区别呢？通常认为简单的平、立面图形是方形或圆形的，而复杂的图形是有凹角的，容易造成有应力集中或变形集中的薄弱环节。抗震设计能做到平、立面简单当然是较理想的，但实际工作中，建筑的平、立面出现凹角是经常的，比较现实的做法是要求建筑体型规则一些，规则的意思是有一定的对抗震有利的要求，也允许带有一定限度区的复杂性质。区分规则与不规则的界限很难划定。我国新的高层建筑结构设计规程给出了一些划分原则。

2 、建筑结构尽量对称

建筑的平、立面刚度和质量的分布不对称，地震时往往产生扭转破坏，为此在设计上做到对称是十分必要的，但实际工作中常常由于建筑的要求而做不到这一点。不对称的情况通常表现在以下几个方面：一是建筑周边构件的强度和刚度不对称；二是建筑外形对称而抗侧力系统不对称；三是具有细长伸出翼的平面；四是质量偏心。

3 、尽可能满足建筑竖向均匀性

均匀性问题存在于建筑的竖向布置中，无论是几何图形还是楼层刚度变化，其规则匀称应该是立面设计中优先考虑的。布置不均匀的结果产生了刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中，以致在中小型地震中损坏，在大震时倒塌。但是，要使结构做到完全均匀性，在实际设计中也有一定的困难。均匀性问题表现如下：

其一，竖向收进问题。竖向收进是常见的建筑处理方式，结构上产生的问题是在凹角处应力集中。由于房屋的不同部分其振动特征不同，所以在收进处的横隔（楼盖或屋面板）产生应力突变。为此，在抗震设计时，可考虑几种处理方法：限制收进尺寸；当设置防震缝有利时，可设缝把复杂的体型划分成若干简单、规则的独立单元，分割后的建筑体型应是均衡的，不能过分细高；不设缝时应进行较细致的空间动力分析；对刚度突变的构件采取加强措施。

其二，柔性层框架。建筑上往往因底层需要开敞或任意层需要大的空间，使结构处于上下不连续状况，产生竖向刚度突变，特别是柔性底层建筑，在历次大地震中，震害都很普遍，甚至完全倒塌。分析研究表明，这类构件的应力和变形集中是非常严重的，所以在抗震设计时应力求避免，底层应尽可能配置具有相当强韧性的构件以承受大的侧移。

其三，同一层间的柱子刚度不同。建筑上由于空间需要或由于艺术构思，使得同一层间柱子的刚度差异较大，通常在刚性较大的柱子上产生较大的内力。为此设计时宜从抗震的角度重新安排结构系统，以使刚度尽量均衡。

其四，抗震墙的不连续。由于建筑上的需要，可能出现上下不连续的抗震墙，这就产生了不均匀性，为此在设计时，应考虑限制上下层的刚度以及连续抗震墙的间距。

其五，填充墙设置的影响。框架内的填充墙若设置不当，地震时往往会改变结构的受力状态而产生不利影响。例如，由于填充墙设置不当，可使框架柱形成短柱而造成破坏。为此在设计时，应把墙同柱分开或采用轻质墙以使框架柱连续。

4 、洞口的开设要整齐

建筑上往往由于门、窗、管道等开洞不规则、不整齐，削弱了结构的强度和刚度，形成了有应力集中的薄弱环节，这在设计的初期必须引起重视。

5 、防震缝

同建筑体型密切相关的问题是防震缝的设置。因为防震缝在不同程度上影响建筑的立面效果。防震缝的设置与否应根据建筑物的体型、结构体系等具体情况区别对待，不提倡一切都设，也不主张不设，分要分得彻底，连要连得牢固。不宜采用似分不分，似连不连的结构方案。

二、建筑抗震理论分析的进程

1、拟静力理论。拟静力理论是20世纪10-40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小相当于结构的重量乘以一个比例常数（地震系数）。

2、反应谱理论。反应谱理论是在20世纪40-60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础。是美国的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。

3、动力理论。动力理论是20世纪70-80年代广为应用的地震动力理论。它的发展基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展，以及人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解。同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成建筑抗震设计工作。

三、建筑的抗震设计方法

我国的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定：

1、高度不超过 40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。

2、除1 款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。

3、特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，当取3组加速度时程曲线输入时，计算结构宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值；当取7组及7组以上时程曲线时，可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

四、结束语

我国的城市化建设非常迅速且规模巨大，人们大量涌入城市成为其中的一员。地震作为一种破坏性很强的自然灾害，对建筑结构安全的影响尤其重大，也直接关系到每个人的安全。本文在这里就建筑结构抗震设计作一概述，使人们对抗震设计有一个初步而又清晰的认识。

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