概念设计在建筑抗震设计中的体现及应用

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摘要：分析了建筑抗震概念设计的特点，从场地选择、建筑设计及结构设计等方面探讨了概念设计的具体应用。

关键词：概念设计；抗震设计

引　言

由于地震作用的随机性、复杂性、间接性和偶然性，地震的强度是不可知的，地震对建筑物作用也是多变的，结构在地震作用下表现出极大的复杂性和计算假定与实际情况的不符，因此，在结构的抗震设计上不能完全依赖计算设计，在很大程度上，结构抗震性能的好坏取决于良好的概念设计。

1、抗震概念设计的准则

所谓概念设计，一般指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

概念设计的特点体现为以下几个方面：

(1)抗震设防标准的设定

由于地震具有偶然性，一味地提高抗震设防标准不科学，也不符合我国的经济实力。然而，既有地震资料表明，抗震设防标准不能满足实际需求时，往往不可避免造成倒塌或严重破坏，达不到“小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震设计要求。如唐山市地震前的抗震设防烈度为6度，而遭受的地震烈度大干9度；而成都的抗震设防烈度为7度，地震震级6-7度左右，地震后建筑物损坏较轻，人员伤亡也很少。因此，加强对全国各地区地质构造的勘察研究，科学合理地确定全国各地区的抗震设防烈度十分重要。

(2)建筑选址

城市和建筑选址的科学性和合理性是避免地震灾害的关键。我国的大地震带――南北地震带上每隔三、四十年左右就会发生一次7级以上大地震，如2008年震惊世界的四川汶川地震处于龙门山断裂带就在这一地震密集带。对于特定建筑的选址，同时应该选择对抗震有利的场地及地基，并应采取必要的措施来保证地基的稳定性。

(3)建筑外形设计

研究表明，简单建筑外形结构抗震性能最好，而复杂的如有多出凹凸角的图形则容易产生应力集中或变形集中的薄弱环节。在建筑的竖向布置中，如果布置不均匀其结果即产生刚度、强度的突变，引起竖向的应力集中或变形集中。因此，方形、圆形的建筑，平面、立面上均匀、对称、规整的建筑满足概念设计抗震设计要求。

(4)结构设计时考虑荷载重心与刚度重心的重合

由结构扭转所带来的附加荷载是很大的，甚至成为结构计算的控制因素。因此，在设计大中型项目时，总体系的设计首先要考虑荷载重心与刚度重心重合问题，尽量减小地震荷载所引起的整体扭转力矩。

(5)采取相应的构造措施避免出现薄弱层

注意构件的延性性能，遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”等设计原则，加强薄弱部位，注意钢筋的锚固长度，使结构在发生不协调变形时，能够从整体上调整应力的传递，以减小裂缝。

(6)注重非结梅抗震设计

如果建筑的非结构构件如门窗、隔墙、围护墙、吊顶、玻璃幕墙、室内设备设施等设计不当，由于地震作用下同样会带来破坏和损失。而一般的非结构构件并不是由结构工程师进行抗震分析和设计，因此在地震中其破坏概率要比同一建筑的结构构件高的多。概念设计则应考虑到这一影响建筑抗震性能的重要因素，进行全面的抗震设计。

2、概念设计的应用

(1)场地选择

建筑场地尽可能要求宽阔平坦而且避开斜坡和崖地，要尽量选择坚实均匀的场地。避开不利地段如软弱土、液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘等。地基为软质粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震时地基的不均匀沉降或其它不利影响并采取相应措施。

(2)建筑设计

除上述外形尽量选择简单的方形或圆形的平、立面图形外，平、立面刚度和质量的分布也应该对称。避免竖向的不均匀，如竖向收进问题、柔性底层框架、同一层间的柱子刚度不同、抗震墙的不连续、填充墙设置不当导致框架柱不连续，等。建筑洞口如门、窗、管道等的开设应该整齐，否则易造成应力集中的薄弱环节。防震缝的设置应根据建筑物的体型、结构体系等具体情况区别对待。

(3)结构设计

1)强柱弱梁。在设计中对柱端组合的弯矩设计值应乘以柱端弯矩放大系数来保证柱端弯矩大于梁端弯矩，使结构在地震作用下能够实现总体屈服机制，利用水平杆件的变形来耗能。

2)强剪弱弯。控制构件的破坏形态，使构件在地震中能够发生延性较好的弯曲破坏而非延性较差的剪切破坏，构件的受剪承载力应大于构件在弯曲屈服时实际达到的剪力值。

3)柱轴压比限制。限制柱的轴压比而实现大偏心受压下产生弯曲破坏，同时柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低，尤其在轴压比较高情况下增加箍筋对改变柱变形能力并没有明显作用。

4)强压弱拉。梁由于柱的“位移延性比”随轴压比增大而急剧下降，并且在高轴压比时增加箍筋数量以不能提高柱的延性，因此过分的限制轴压比来提高其延性也欠妥。超筋梁虽配置过多受拉钢筋，但由于其应力低于屈服点，不能充分发挥作用而造成浪费，且破坏始于受压区混凝土的压碎，钢筋仍处于弹性工作阶段，裂缝开展不宽，延伸不高，无明显预兆。

5)强节点弱杆件。对框架节点核心部位箍筋的最大间距、最小直径及节点核心区配箍特征值及体积配箍率给予约束，防止节点部位斜裂缝，或发生破坏进一步引起梁端或柱端钢筋在节点核心区锚固失败导致梁铰机制不能形成。

3、结　语

概念设计概念设计的目的是力求设计方案安全、可靠、经济、合理，是一个优化的过程。结构工程师不要过多依赖计算程序，而应从场地选择、地基基础设计、平立面布置、结构体系、构件连接等各方面去研究设计，有效控制结构在地震作用下的薄弱环节，达到建筑抗震的目的。