论建筑物结构抗震概念设计

沈春艳

0 引言

地震灾害对建筑结构的破坏性非常强大，会导致建筑物的承重构件失去应有的作用。概念设计在建筑物抗震设计中的应用，不是具体的某种算法，而是贯穿于设计中的每个细节，例如方案设计、结构计算等，需要工作人员对其进行全面的分析和研究。良好的概念设计能够提高建筑结构整体的抗震性能时，且更加注重设计理念的应用，能为设计人员今后的工作提供更多的思路。

1 建筑结构抗震设计的现状

1.1 地震造成地面运动非常复杂

由于地震所造成的地面运动是非常复杂的，它主要是在由纵波和横波共同作用下所产生的结果。在震中区，纵波会使地面上下颠动，横波横坡则会让地面水平晃动。由于纵波传播的速度比较快，衰减也比较快，横波传播速度比较慢，衰减也比较慢，因此离震中比较远的地方，上下跳动感觉不是非常明显，但是却能感觉到水平晃动。

1.2 地震导致地面运动不稳定

由于受到技术水平的限制，无法明确抗震计算的依据，当地震来临时，震波通过震源传到了地球的表面，再经过岩石的折射，在土层中进行了非线性的传播。这个过程是非常复杂和多变的，会严重造成地面的运动不稳定，而且不同的震源所产生的地震加速度差别也非常大。到目前为止我国的大地震基本上都超出了预定的防震强度，造成极其严重的影响和损失。因此如果设计人员只是单纯的根据设防烈度进行抗震设计，则很难保证人们的生命财产安全。

1.3 地震对建筑结构的破坏过程十分复杂

地震发生过程中建筑物结构的破坏是不断变化和改动的，过程十分复杂，尤其是建筑结构出现变形或者扭转造成结构的强度和内力分布遭到破坏。设计人员在进行抗震设计时容易忽略计算理论和程序对建筑物的影响，导致计算结果与实际情况反差过大，由此可以看出单纯的根据抗震结果进行抗震设计师并不安全。此时设计人员可以将概念设计应用其中，结合计算结果共同完成抗震结构设计，更好地地提高建筑物的抗震能力。

2 建筑结构抗震概念设计的原则

设计人员在进行建筑结构抗震概念设计时，要遵循以下三个原则：

（1）保证结构的整体性，在建筑工程中，建筑物的整体性非常重要，设计人员不仅要考虑凝聚和传递惯性力的子结构，还要保证这些结构的抗震能力符合实际要求，特别是当竖向抗侧力子结构出现不均匀、结构相对复杂而且存在差异时，设计人员要在整个建筑物上通过使用抗侧分子结构共同合作，确保结构的稳定性；

（2）尽量简化建筑结构，在地震的作用下，建筑物的结构只有足够简单、直接才能确保地震作用更加合理，设计人员在进行结构位移和模型的分析时才能更加清晰，通过相应的解决措施，提高建筑物的抗震效果；

（3）保证建筑刚度，设计人员可以通过合理的结构布置来提高建筑物的抗震性能。建筑结构的刚度在控制结构变形的同时，还能降低地震的作用。当建筑结构出现很大改变时，就会产生重力二阶效应，从而降低建筑物抗震效果的可靠性。除此之外设计人员还要重点考虑结构的均匀性，以免地震时结构在楼层之间的竖向出现问题。

3 抗震概念设计在建筑结构设计中的具体应用

3.1 确定建筑物的平立面布置

设计人员在进行建筑结构概念设计时首先要进行建筑物的平立面布置，合理的结构布置不仅能够提高建筑物的抗震效果，同时还能保证建筑结构的稳定性。因此设计人员必须严格按照相关规范进行布置，以免当地震来临时出现应力过于集中、扭曲或者塑性变形等问题。通常情况下要求建筑物的平立面布置要对称，而且质量和刚度要均匀，避免出现楼盖错层的情况，因为对称结构的建筑物在发生地震时比较不容易遭到破坏。在实际设计时，设计人员可以从以下两个方面入手：

（1）不设置抗震缝，在进行建筑结构的抗震分析时，要根据局部应力、变形集中以及扭转等情况对建筑物的影响进行充分的了解与分析，并采取最科学合理的措施进行处理。

（2）设置抗震缝，设计人员可以将建筑物划分为很多个结构单元，结合抗震设防的烈度以及材料的种类等信息内容来设置宽度，保证伸缩缝和沉降缝的设置满足防震缝的要求。另外设计人员可以采用不规则的平面类型进行布局，例如在地震区的高层建筑，可以采用矩形、梯形或者三角形等均匀变化的图形，也能起到提高建筑物抗震效果的作用。

3.2 选择合适的建筑地点

科学合理地选择建筑地点为后期抗震设计的成功奠定了基础，由于地震的作用力相对比较强，会造成承载力降低或者地基土液化，影响地基的稳定性，造成建筑物出现开裂、倾斜或者倒塌等问题，严重威胁人们的生命财产安全。因此设计人员要选择对建筑物抗震更加有利的地方开展建筑工程。如果实际情况无法避开不利地段，设计人员要根据实际情况进行有针对性的地基改善措施，保证地基的安全和稳定。但是无论任何情况，都不能在抗震危险地段上施工，我国目前的基础设计规范中明确表示，如果结构单元中存在个别位置由于地质原因而采用天然地基或桩基的行为是不可取的，尤其是不能在地震的高发位置建设建筑物。

设计人员在施工之前务必判断出施工现场属于哪种情况，例如建筑物抗震危险地段主要是指当发生地震时，极容易出现崩塌、滑坡、泥石流等问题的地段，或者震中的烈度为Ⅷ度以上的发震断裂带，该位置在地震时很有可能会出现地表错位的问题。不利于抗震的地段可以从地形上和土质上两方面进行区分，在地形上主要是条状突出的山嘴，孤立的山包与山梁的顶部，河岸与边坡的边缘等。在土质方面主要是指软弱土、易液化土、断层破碎带等地段。设计人员要选择有利的抗震地点，主要是位置比较开阔平坦而且非常坚硬的场地或者密实均匀的硬场地土，能够减少输入建筑物的地震能量，缓解地震对建筑物的破坏情况，而且更加便于施工，因此有利地点的选择能够更好地保证建筑物的抗震效果。

3.3 选择合理的抗震结构

设计人员在选择抗震结构时，需要从建筑物的重要程度、地基基础、经济适用性等各个方面进行判断，一般情况下需要满足以下几个条件：

（1）具有非常详细的计算简图，同时有科学合理的传递内力途径，并且结构的强度、耗能以及变形能力均满足建筑要求。

（2）设置多道地震防线，以免部分结构出现问题而影响整个建筑物的抗震效果。在设计结构时，也要注意刚度和强度，避免局部形成薄弱部位或塑性变形集中。

（3）要控制好两个主轴之间结构的动力特性，设计人员在选择连接构件时，要保证构件节点的强度不低于连接构件的强度，同时确保整个装配结构连接的整体性。

设计人员在选择抗震结构的构件时，首先务必保证砌体结构满足施工要求，合理设置混凝土圈梁和构造柱，以此来提高抗震效果。其次在设置钢结构构件或者混凝土构件时，务必选择或控制好尺寸，以免影响结构的稳定性，尤其是混凝土构件，需要配置好相应的箍筋以及纵向钢筋，避免其在弯曲之前被破坏。

3.4 提升结构的延性

建筑物的抗震水平如果低于地震等级，非常容易出现由于脆性而被破坏导致建筑物倒塌的情况，尤其是高层建筑，此类问题更加严重和突出。因此设计人员在进行建筑物设计时，要重视提高结构的延性，增强建筑物的抗震能力。为了提高建筑物的延性，设计人员可以从以下几个方面入手：

（1）材料。设计人员要选择延性比较好的材料，这类材料在发生非弹性变形或反复弹性变形时，延性不会下降。

（2）杆件。杆件的延性控制主要包括塑性变形、能量收纳和耗散等方式来提高建筑结构的延性。

（3）构件。构件的延性主要是指某个构件的塑性变形以及能量消耗的能力，设计人员通过对墙体、框架延性的控制来提高整体结构的延性。

综上所述，建筑结构的延性主要是指建筑物的抗倒塌能力和塑性变形的能力，设计人员可以通过各种方法来增加建筑结构的延性，从而提高建筑物的抗震效果。

3.5 提升结构的整体性

建筑物的整体性能够保证其在地震的作用之下处于更加协调的状态，避免出现倒塌问题。设计人员可以采取以下措施来提升结构的整体性：

（1）采用钢结构作为支撑结构，钢结构技术水平的不断发展在提高建筑物抗震效果方面也起到了很大的作用，不仅能够提升建筑框架结构的侧向刚度，还能抵抗水平荷载，提高建筑物的整体强度。与传统的框架结构相比，钢结构支撑的稳定性更好，设计人员可以将窗台下面到下层窗户顶部的位置作为支撑部分，科学合理地设置支撑，确保结构符合支撑要求。

（2）抗侧力结构的选择，设计人员可以根据建筑物的实际情况选择抗侧力结构，例如建筑物的桁架高度和单楼层相同时，设计人员可以采取交错桁结构来设置上下楼层，保证各单元的灵活性。在钢结构中使用该结构使梁柱弯矩较小，侧向位移也较小，当地震来临时会降低建筑物的损失。

3.6 做好非结构部件的设计

非结构部件主要是指在建筑结构的分析中不需要考虑侧向荷载和重力荷载的部件，例如内隔墙、外围墙等。虽然这些部件在建筑结构中不参与荷载的分析，但是在地震来临是时也会起到一定的作用，因此非结构部件的设计与处理也非常关键。为了提高建筑物非结构部件的处理，设计人员可以采取以下方式，首先要加强建筑框架和填充墙之间的联系，使得填充墙成为建筑主体抗震结构的组成部分。对于墙体连接的部分，设计人员可以使用柔性连接的方式，来削弱墙柱的联系，以免发生嵌固作用。其次是针对附着在建筑楼面和屋面结构部分的情况，设计人员需要针对此类非结构构件和主体结构的连接处理，以免地震发生时增加人员伤亡的概率。

3.7 重视计算校核

随着现代化技术水平的不断提高，计算机技术在建筑物抗震概念设计中的应用已经非常广泛，在实际方案设计中，设计人员可以通过计算机软件来辅助设计和校核。计算机软件的应用可以帮助设计人员进行方案的校核，并且提高校核工作的效率，但是由于计算机软件的种类比较多，设计人员要对其适用范围和条件等情况进行全面的了解，才能起到事半功倍的作用。不仅如此设计人员要重视计算校核问题，务必进行反复的计算和认证，才能将结果应用到方案设计中，提高设计方案的科学性。

4 抗震概念设计在建筑结构设计中的注意事项

4.1 建筑结构的竖向设计

建筑结构的竖向设计直接影响到建筑结构的整体性，因此在进行竖向设计时，设计人员务必保证结构的规则性和均匀性，不能采用大范围的内收。同时为了保证建筑结构中心位置的稳定性，设计人员要在结构出现变化时，改变建筑物的竖向结构，提高建筑物的整体性。

4.2 框架和剪力墙结构的设计

建筑结构中的框架和剪力墙结构主要是为了充分发挥出剪力墙结构抗侧力效果，剪力墙所承受的作用远比框架结构要大。当地震来临时，剪力墙在刚度变化的影响下会发生不可控的状况，导致框架结构会承受一定的作用力，因此在实际设计中，设计人员要根据相应的原理保证框架能够承受住荷载的变化。

4.3 结构构件的抗震计算

构件的抗震计算主要是通过不同的地震参数对地震的内力和作用进行分析与研究，充分考虑不同构件之间的作用力效果以及抗震性能的一系列参数，设计人员可以根据不同的抗震规定来验算构件的截面。除此之外设计人员还要对建筑倒塌的问题和相对薄弱的地方进行验算，保证构件的抗震性能符合建筑要求。

4.4 混凝土结构抗震等级的设计

抗震等级是设计人员确定抗震分析以及抗震措施的标准，设计人员可以根据不同的地震烈度、建筑类别、结构体系以及建筑高度等内容进行确定，而且抗震等级的划分还需要充分考虑技术要求与经济条件。当前随着设计方法的不断优化与改进，人们对建筑水平的要求也在不断提高，因此抗震等级也需要做出相应的调整。概念设计中在确定抗震等级时，要充分考虑各种因素，要比传统的划分方式更加严谨和合理，例如设计人员可以利用框剪结构体系来降低框架的抗震等级，以此来提高建筑物的抗震效果。

5 结语

地震给人们生命财产安全所造成的损失是非常严重的，因此在建筑工程中，需要提高对建筑结构抗震设计的重视。设计人员将抗震概念设计应用到建筑工程中，要合理地选择建筑场地，采取科学的支撑结构完成建筑物的整体布局任务，以此来提升建筑物的抗震性和安全性，并保证建筑物的美观，为用户提供更多的安全感。同时设计人员还需要注意遵守建设规范，提升抗震效果的同时延长建筑物的使用寿命，为我国的建筑工程做出更多的贡献。