对抗震设计的思考

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摘 要：近年来，全球范围内地震频发，引起了专家学者对房屋抗震性能的关注，为了提高房屋的抗震性，在房屋结构设计过程中需要加强抗震设计，从而减少地震带来的人员伤亡。本文通过对强地震过后建筑被损毁的特点、对抗震设计与构造的措施进行分析，提出改善房屋的抗震性能的建议，期待能有效的减少地震带来的损失。

关键词：建筑结构；抗震设计；构造措施

地震有时会造成建筑房屋损毁和坍塌，还容易引起火灾、瘟疫等自然灾害的发生。同时，地震会造成社会公共秩序的混乱，导致社会生产活动的中止，严重危害人们的生活安全，给社会经济和人民的生活带来无法弥补的损失。所以，加强建筑的抗震设计研究，可有效减少地震带来的房屋损毁和一些经济损失，避免给人们带来重大的伤害。

1 抗震设计中存在的主要问题

1.1 竖向不规则的建筑受损较为严重

强地震发生后一般不规则的垂直性房屋建筑毁坏较为严重。主要分为两类：一类是大型的开放式框架结构，这个框架是为方便使用的居住者。地震发生后，因为底层的刚度和强度出现不足以支撑整个房子的重量，加之其他横向力量，会出现倒塌、倾斜现象。还有一类的小塔楼的建筑结构，这类房屋的垂直结构质量和刚度很容易引起突变，建造这种结构将在地震中受损。

1.2 钢筋混凝土结构达不到标准

根据地震摧毁的房屋后整体情况来看，框架剪力墙结构基本完好，没有受到太大的损坏，但仍有极少数的框架结构遭到严重破坏，甚至倒塌框架结构一般上端和下端的在地震中一起遭到破坏，或在梁和柱一个节点上，一般像这样的破坏现象是由于节点区没有按规范的要求配置箍筋所造成的，主筋搭接不符合要求从而造成破坏。

1.3 框架结构中剪力墙震坏严重

许多建筑物低层设置商场或者车库，上部为住宅和办公用房。这些大空间设置剪力墙不够完善，使结构竖向刚度分布不连续，形成薄弱层。本来底层的层间剪力最大，而由于剪力墙尚有不完善之处，刚度较小产生较大的层间弹性变形，同时结构的倾覆力矩作用几乎全部由底层框架柱承担，地震发生后，通常出现较严重的损害。

2 建筑结构中的抗震设计的内容

2.1 抗震设计的概念

为了减少地震带给我们的伤害，我们在对建筑结构进行设计时，要加强建筑结构的抗震设计。根据强地震之后被毁建筑的特点，要加强抗震设计中的薄弱部分。抗震的概念设计要从几个方面来考虑：房屋平面布置要规则，结构力要对称，房屋结构的不规则、不对称，凹凸的变化太大都不利于抗震；强度和刚度要保持匀称，如果在建筑结构中存在薄弱楼层，在地震力的作用下，薄弱楼层就会迅速变形，从而造成严重的破坏，甚至会影响到整个建筑；还要保证结构超静定次数多，由于静定结构的杠杆受力和传力路线单一，一根杠杆的破坏就会影响整个静定结构，超静定结构在超过其承受能力时，会先使多余的杠杆发生塑性变形，来消耗部分的能量，超静定结构的次数越多，消耗的能量就越大，建筑的抗震效果就越明显。

为了减少框架结构的倒塌，提倡采用“强柱弱梁”的框架结构，这样在产生地震时，可以利用梁的变形来消耗地震的作用力，使框架退到第二道防线的位置，在对耗能的构件进行挑选时，要利用水平的构件来抵抗地震的大多数作用力，尽量确保建筑物在地震之后坏而不倒的要求。对构件要进行互相的连接，使每个构件有足够的强度来传递地震的能量，使每个构件能充分的吸收地震的作用力，当建筑物的形体有突变部位时，要采取相应的加强措施，充分利用填充墙来减缓地震时对主体结构的破坏，建筑的整个框架、围护墙以及建筑的耗能构件都应尽量挑选轻质的建材来减轻地震的作用力，由于地震的作用力是持续性的，在短时间内会对建筑进行多次冲击，所以尽量设置多层防线，来提高建筑的抗震性能。

2.2 抗震设计的计算

由于建筑结构的不同，抗震计算就应根据相应的原则来考虑：在正常的情况下，一般都在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，而各方向的水平抗震作用应该由该方向的抗测力构件来承担；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用，如果是分布不清晰不对称的房屋结构，要分开计算构件各个方向的地震作用。

2.3 抗震设计的原则

需要遵循每个东西的设计它的要求和原则，因此，抗震设计也遵循它的独特要求和原则，抗震设计是一种整体到局部的设计，所以在对建筑物进行抗震设计的时候，应该遵循的原则有：

2.3.1 场地选择

除了根据地震危险性分析尽量选择比较安全的场址之外，还要考虑一个地区内的场地选择。选择的原则是：避免地震时可能发生的地基失效的松软场地，选择硬度足够强的场地。

2.3.2 体型均匀规整

无论是在平面上还是在立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量、刚度、延性等均匀、对称、规整，避免突然变化。

2.3.3 提高结构和构件的强度和延性

结构物的震动破坏来自从地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图从地基传入结构物的振动能量为最小，并使结构物具有适当的强度、刚度和延性，以防止不可挽回的破坏。在不增加重量，不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性，是两个有效地抗震途径，刚度的选择有助于控制变形，强度与延性则是决定结构抗震吸能的两个重要系数，由于地震动的多次循环，还要注意循环作用下，结构刚度和强度的退化。

2.3.4 等安全度设计

理想的设计是使结构中各构件都具有近似相等的安全度，即不要存在薄弱环节；更适当的要求可能是等破坏设计，几个构件达到破坏而引起的结构物达到破坏的安全度近似。

2.3.5 多道抗震设防

使结构物具有多道支撑和抗水平力的体系，则在持续时间较长的强地震动过程中，一道防线破坏后上有第二道防线可以支撑结构，避免倒塌。

2.3.6 防止脆性和失稳破坏，增加延性

脆性与失稳破坏常常导致倒塌，故应防止，这些破坏常见于设计不良的细部结构。一般房屋的结构设计目的是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在抗震设计中要注意一些特殊问题，特别强调结构细部的抗震设计。

工程设防标准，是以最少的代价建造具有合理安全度的，满足使用要求的工程结构，这是传统的设计思想，设防标准不能追求绝对的安全性。在以危险概率为基础的设防准则中，合理的安全度是在经济和安全之间的合理的平衡，这是一切设计的总原则，也是抗震设计的总原则。

3 建筑结构中抗震设计的主要指标

《抗震规范》中明确指出，采用计算机计算出来的所有结果，都必须在经过对其合理性、有效性认真分析判断后才能适用于工程设计。一般，电算的结果主要包括结构的自振周期，楼层弹性层间位移、楼层地震剪力系数、楼层的弹塑性层间位移，楼层的侧向刚度比，振型参与质量系数，墙和柱的轴压比及墙、柱、梁和板的配筋，底层墙和柱底部截面的内力设计值。对电算结果的合理性有一个正确的判断，这就要求计算时必须选用正确的计算简图与合理的结构方案，还得分别将抗震设防烈度以及场地类别正确的输入，除此之外，还必须将电算程序中的其他参数准确合理的输入。

3.1 结构的抗震等级的确定

在建筑工程设计中，按照抗震设防来分类，一般的民用住宅建筑、公寓、办公楼等，很多房屋建筑是属于丙类建筑。当确定这些建筑的抗震等级时，通常是根据本地区的抗震设防烈度、结构类型以及建筑高度以及《抗震规范》来确的。但是对于交通、电讯、消防、能源以及医疗类建筑，大型商场与体育场馆等公共建筑，首先，就应该确定其中哪些建筑物是乙类建筑。我们通常按照抗震设防烈度来计算乙、丙类建筑的地震作用。通常情况乙类建筑，当抗震设防烈度在6～8度时，应该采取抗震措施。一般是在本地区的抗震设防烈度的基础上再增加一度，再查表来确定其抗震等级。若该乙类建筑处于7度地区，而其高度又超过规定的范围，此时，就应该采取更为有效的其他抗震措施。

3.2 地震力的振型组合数

多层建筑结构，若不需要进行扭转耦联计算，其地震力的振型组合数不应小于3；若振型组合数大于3，则应该取3的倍数，但与小于建筑物的层数；若房屋层数少于3层，振型组合数就取层数。不规则的高层建筑，当需要考虑扭转耦联时，其振型数不应小于9。建筑结构层数比较多或者其刚度变化较大时，其振型组合数应越大，比如有转换、小塔楼等建筑，其振型组合数不应小于12，但是也不得多于3倍层数。我们一般可以采取振型参与质量为总质量的90%时所需要的振型数作为合适的振型数。在应用SATWE等程序进行电算时，便可以将这种参与质量的比值输入进去。但是，有些设计人员重视程度不够，往往比较随意的选取振型数，这是不行的。另外，只有在建筑结构的扭转比较明显时，才采用耦联计算，若必要时还是需要补充非耦联计算。

3.3 结构周期折减系数的确定

框架结构建筑结构中，因为存在填充墙，其实际刚度往往比计算刚度大。计算周期比实际周期大，因而，计算出来的地震剪力偏小，显得结构的安全性较差，所以应该对结构的计算周期进行适当的折减，但是折减系数不得过大。若框架结构采用砌体填充墙，则其计算周期折减系数为0.6～0.7；若采用轻质砌体或者砌体填充墙较少则可取0.7～0.8；当全部用轻质墙体板材时，折减系数为0.9。而只有无填充墙的纯框架，才可以不进行计算周期折减。

4 建筑结构中抗震设计新的思路

建筑结构抗震设计方法的发展，如下图所示，从最初的0.1倍的结构自重作为水平力施加在结构步入由基于承载力的刚性设计发展到基于位移和变形控制的柔性设计。

4.1 刚性结构提高建筑物的抗震性能

通常高层公寓柔性结构为主流，靠整个建筑来减弱地震引起的摇动，但在强风刮过来时，楼的结构也会发生一定的摇动。采取了刚性结构后，摇动大大降低。如高级别的地震发生时，柔性结构的建筑一般要摇动1m左右，而刚性结构建筑只摇动30cm。

4.2 橡胶提高建筑物的抗震性能

如在日本东京一座免震结构公寓高达93m，建筑物的使用了新研制的高强度16积层橡胶，建筑物的中央部分使用了天然橡胶系统的积层橡胶。这样，在裂度为6的地震发生时，就可将建筑物的受力减少至二分之一。一种超高层楼房用抗震装置，使用的是类似橡胶的黏弹性体，该装置可将强风造成的摇动减轻40%，同时也可提高抗震能力。

4.3 “局部浮力”的抗震系统

目前，日本开发了一种名为“局部浮力”的抗震系统，即在传统抗震构造基础上借助于水的浮力支撑整个建筑物。据日本媒体报道，普通抗震结构把建筑物的上层结构与地基分离开，以中间加入橡胶夹层和阻尼器的方式支撑建筑物。相比之下，“局部浮力”系统在上层结构与地基之间设置贮水槽，建筑物受到水的浮力支撑。水的浮力承担建筑物大约一半重量，既减轻了地基的承重负荷，又可以把隔震橡胶小型化，降低支撑构造部分的刚性，从而提高与地基间的绝缘性。地震发生时，由于浮力作用延长了固有振荡周期，即晃动一次所需时间，建筑物晃动的加速度得以降低。6～8层建筑物的固有周期最大可以达到5s以上。因此，在城市海湾沿岸等地层柔软地带也可以获得较好抗震效果。此外，贮水槽内贮存的水在发生火灾时可用于灭火，地震发生后可作为临时生活用水。这一系统成本并不算高。以8层楼医院为例，成本比普通抗震系统高出大约2%。

4.4 “滑动体”基础提高建筑物抗震性能

古旧建筑独户建筑与高层楼房相比整体重量轻，积层橡胶不起作用。有效的抗震方法是在建筑物与基础之间加上球型轴承或是滑动体，形成一个滚动式支撑结构，这样可减轻地震造成的摇动。古旧建筑的抗震问题也得到了有关方面的重视。

5 结 语

综上所述，建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的过程，从场地的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿，整个过程。而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标。因此如何准确、合理的运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，对于不同的建筑，不同的情况应区别对待，从而寻求最合理设计方法。我国目前的抗震设计方法尚有一些不足之处，需要我们在实践中加以完善。

总之，要确保建筑结构中的抗震设计能高效完成，应在遵循相关建筑抗震规范要求的原则上，进行科学地合理地设计，确保建筑物具有稳定的可靠的抗震性能，达到建筑物小震不坏、中震可修、大震不倒的标准。

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