建筑结构设计中的抗震结构设计

许兵 金昌建设有限公司

当前随着社会城市化进程加快，建筑业有了蓬勃的发展趋势，其建设的规模以及高度也在持续性扩大，在生活中建筑的种类相当丰富，但是其内存的结构性问题也逐渐突出，因而在建筑的建设过程中，需要做好结构的分析，这样在地震到来之时，才会避免发生严重的损失，防止给居民的生命财产安全带来严重的威胁，因而相关工作人员应该在对建筑设计重要性深入认知的基础上，落实各项方案规划，确保结构设计达成最终的目标。

一、对抗震性能化设计的理解

（一）抗震性能化设计概念的提出

目前，建筑行业对抗震性能化设计的理解尚不统一。部分学者认为，以结构物的变形需求为结构设计控制依据的设计形式就可以称之为抗震性能化设计；也有学者认为，以减少经济损失、结构损伤作为性能目标进行设计，并对其进行验证与分析的过程被称为抗震性能化设计。实际上，建筑结构抗震性能化设计是抗震设计一步步发展、完善的结果。美国加州结构工程师学会、美国应用化工技术局、美国联邦紧急救援组织最早提出基于结构性能的抗震设计概念，即根据建筑物的重要性、用途、业主要求来确定性能目标，因此，提出不同的抗震设防水准，并且进行抗震结构设计。最后，对设计方案进行评估，检验其是否满足性能目标的要求，以及能否满足建筑结构在未来地震中具备的功能。在设计过程中，对结构使用静力弹性、动力弹塑性时程分析法分析结构的抗震性能，验证建筑结构是否可以达到设计性能目标。

（二）抗震性能化设计的目的、内容

抗震性能设计的目的是在建筑结构寿命周期内，在一定条件下，提高建筑结构抵御地震灾害的能力，在地震作用下，减轻结构的破坏程度，从而减少人员伤亡、经营中断、再次修建等损失。因此，抗震性能化设计是一种“多级抗震设防”的方式，是对抗震设计的深化与细化。具体设计内容包括地震设防水准、性能目标确定、结构抗震性能水平的确定、结构抗震性能分析评估4个方面。在所有的设计内容中，需要考虑2个基本方向：地震需求与结构能力。结构性能设计的最终目的是使设计的建筑结构部件的抗震能力达标，强于地震需求指标且费用最低。

抗震性能化设计，就是一种建立在概念设计基础上的抗震设计新发展。抗震性能化设计仍然是以现有的抗震设计水平和经济条件为前提，从受力体对性能目标进行理解的设计过程，主要是采取各种设计方法和装置，使整个结构或者是某些部位、关键构件在地震作用过程中，产生的破坏最小。在外力方面，在地震作用下，首先评估结构设计使用寿命内可能发生的地震等级。GB50011—2016《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）中详述的地震的3个水准是小震、中震和大震。实际上性能化设计还需要考虑近场效应的影响。在《抗规》中规定，处于发震断层周围10km以内的结构的振动参数，如振幅、频率、持续时间等都应计入近场影响中，这有利于对地震效应的计算与充分考虑。这种考虑方式也是在具体形式上具体分析的个性化手段。性能目标不再是一个笼统概念，而是在构件破坏状态、功能保留状态上高于三水准设计要求的目标设置。

二、建筑抗震设计现状

根据建筑物的工程质量报告以及功能结构分析进行抗震设计，确保结构改造后其功能得到强化，可以满足安全需要。通常抗震设计的思路包括结构分析验算、抗震加固改造、施工效果检验等几个步骤。在进行建筑的抗震设计过程中，首先明确结构改造加固的技术原则，在确定技术规范的前提下，进行整体的结构分析，根据原结构分析的结构，确定存在结构性能弱点的地方，采用必要的加固方案及措施，进行系统的优化设计。在确定设计方案之后，对新的结构体系以及性能变化进行研究，参照加固图纸以及施工标准进行施工，确保整体的加固施工质量。

加固改造的对象是现有的建筑，相较于新的建筑其涉及的施工规范标准可能发生改变，这种情况下进行加固设计，所选取的标准规范的确定应该根据实际情况区分，常见的处理形式包括两种，首先是按照对现有建筑进行集中加固改造的方式，根据设计所依据的标准原则，确保结构的安全性在改造之后维持在较高的水平，如果原结构的构件承载能力较弱，则需要进行加固处理。以现存的规范为依据进行系统加固改造，从而可以强化原结构的性能，如果原标准规范与现存的行业规范有一定的差异，则应该根据实际情况进行协调。在进行加工设计的过程中，由于原构件承载了一定的载荷，在进行加固之后二次受力会使原构件发生应力变形，压缩变形的存在使得混凝土的结构发生收缩，而通过加固将部分载荷卸除，新增加的构建部分载荷发生变化，则新加的应力则作用于原构件，如果新旧结构无法共同达到应力的峰值，则会使自身的承载能力发生变化，如果原结构构件的变形程度较大，而新增的应力处于较低的水平，则无法发挥承载的潜力，抗震加固的部分为二次组合形式，能否成为整体，影响因素包括多方面，首先是其地面是否能够传递剪力，通常情况下，混凝土的结合面其抗剪能力相较于首次混凝土的抗剪能力更低，因而二次组合结构的承载能力较一次结构更小，在明确建筑受力特征的基础上，提供抗震设计的科学方案，可以确保最终的施工效果。

三、提高建筑抗震性能设计的途径

（一）砌体结构设计

建筑的柱体结构与圈梁砌筑墙体部分会因为受到水平地震荷载与竖直地震荷载的作用下而出现裂缝，将墙体划分为多个块体。在水平地震荷载的作用下，建筑结构会产生水平方向的位移，逐渐向外移动，导致结构裂缝的开裂程度越来越大，破坏墙体的整体性，使墙体承压面积逐渐减小。当其承载力无法达到设计承载要求时，就会出现坍塌，墙体承载能力也逐渐消失。基于这种情况，应重视结构柱和圈梁的设计，提高结构的弹性，从而消耗一部分地震作用力，避免建筑墙体的刚度快速衰退从而发生坍塌现象，或者延缓这种问题的发生，使建筑即使在中震与大震情况下，也不会出现快速坍塌。

（二）钢筋混凝土结构设计

建筑的塑性变形大小需要通过钢筋混凝土结构来控制，因此，钢筋混凝土结构应满足相关规范对其抗拉与屈服强度的要求，钢筋混凝土结构的其他参数指标也应在合理范围内，并且钢筋混凝土结构的变形能力和屈服强度应有余量。因此，设计框架梁、柱结构时，应强化梁柱之间的结构延性，以提高其抗震性能。

另外，仍有少部分人认为，钢筋混凝土强度高就代表性能好，在设计中需要避开这一误区，应因地制宜地根据实际情况合理设计与分析。比如，混凝土强度越高，结构的脆性越强，相对应的结构的延性则越低，越不利于消耗地震作用。因此，结合抗震性能设计指标，如果抗震设防烈度为9度，混凝土强度最高采用C60；如果抗震设防烈度为8度，混凝土强度最高采用C70。在实际设计中，还要根据混凝土受压构建的轴压比进行调整、控制，确保结构设计符合相关规范的要求。

在钢筋施工中，控制好箍筋的质量，对箍筋进行优化也可以取得理想的抗震效果。具体的优化途径是：增强箍筋的抗变形能力、极限强度、耗能能力，可以根据箍筋的形式、间距、数量等充分考虑。

（三）通过抗震等级标准的融入优化构件设计

（1）设计工作者应按照市政建筑工程的具体高度来做好其建筑结构模式的区分，对不同高度情况下的建筑结构抗震等级要求加以综合考虑，尽可能让市政建筑结构有能力承受住一定等级的地震强度。这样才可以有效确保其抗震性能，尽最大限度避免地震对市政建筑结构的破坏。

（2）因为建筑外观会对其抗震能力产生直接影响，所以在具体的设计中，设计工作者也应该将市政建筑的外观纳入抗震设计，使其结构外观和构件之间的情况得以有效衡量，并做好市政建筑结构外观抗震效果的综合评定，主要包括坡面结构、立面模型以及截面模型等的抗震性能综合评定，保障市政建筑结构中的每一个立面效果都与其实际抗震需求相符。通过实践与研究发现，如果建筑结构足够规则，其抗震性能也会更好，这是因为规则的建筑结构空间配置具有对称性特征，这样便可实现整体结构承载力的均匀分布，其抗震性能也将得到进一步提升。

（3）在具体的市政建筑工程结构抗震设计中，设计工作者应该做好防震缝的添加，通过市政建筑工程实际施工情况与应用需求的全面考虑，对必要性的抗震单元进行合理设计，以此来有效降低抗侧力给市政建筑工程结构带来的不利影响，提升其抗震性能。在对防震缝进行设计的过程中，设计工作者一定要对其进行精准计算，以此来确保此项设计的可行性，实现市政建筑工程抗震能力的有效提升。

（四）减少地震的能量输入

建筑物抗震效果的具体体现就在于设计过程中能否对地震所带来的最大破坏力提前预测，并对建筑物的结构的形变能力做好提前的调整和规划。对于建筑物的结构形变数值，设计单位应该对当地的具体情况进行充分调查以及对相应的公式进行有效运算，来保证建筑物的形变能力能够充分适应地震的最大破坏能力，减少地震给建筑物带来的能量输入。

（五）合理选择建筑的材料以及结构

为了确保建筑的材料良好，且结构具备合理性，在确定建筑选材时，应该首先考虑到建筑的防震性能，使其能够维持建筑的整体稳定性，在进行选材时，首先考虑到不同地区的实际需求，选择具有更高承载能力以及抗弯能力的材料类型，在建筑的纵向支撑结构中，通过运用更高承载能力的支撑材料，可以确保建筑物具有更好的抗震效果，在进行结构设计时，可以应用三角结构来替代传统的框架结构，从而提升综合抗震效果[8]。

（六）设置对应的抗震防线

抗震的过程中，需要做好抗震防线的设置，如果建筑物的结构相对较小，则需要对应的防线进行保护，一般小型建筑通过设置对应的抗震防线，在遇到地震后可以发挥较大的作用，能够防止因为余震所导致的建筑物的坍塌变形，可以确保建筑物的实际使用寿命。

四、结论

通过对上文的描述和分析，在建筑结构设计中，进行抗震性能化设计，做好建筑结构延性设计，将其作为抗震性能的重要指标，可以提高建筑抗震性能。因此，为保证建筑抗震性能，降低财产损失，应重视建筑结构的延性设计，实现建筑的抗震性能化设计。基于建筑物结构性能的抗震设计是一个新型的建设领域和技术，它与传统的防震设计相比更具有科学性、系统性、适应性和连贯性，能够有效地提高我国建筑物的抗震体系构建。政府和建筑单位必须要清楚地认识到建筑物的结构抗震效果以及建设水平高低，这直接关乎我国居民的人身安全和财产安全。只有不断地对我国建筑的防震设计和防震技术进一步优化升级，才能更好地保证我国居民的人身安全和财产安全。