建筑结构抗震设计问题及措施初探

摘要：近些年来，随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。本文先从抗震设计中的问题出发，列出了几点抗震设计理论，并在最后总结了几点结构抗震设计措施。

关键词：结构；抗震设计；延性

Abstract: In recent years, along with the structural seismic continuous research and development of the theory, structure seismic design has also experienced a series of changes. Ideas of seismic design structure has experienced from elastic to nonlinear, based on experience based on the nonlinear theory, from the simple to ensure the carrying capacity of the structure "resistance" to allow the structure yield, and gives the structure of the ability of non elastic deformation of the “consumption" of a series of transformation. This paper starts from the problems of seismic design, lists several seismic design theory, and at last summarizes several structural seismic design measures.

Key words: structure; seismic design; ductility

中图分类号：TU2 文献标识码：文章编号:

一、我国高层建筑抗震分析与设计中结构体系问题

在地震多发区，采用何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的重视。我国150m以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框一筒、筒中筒和框架一支撑），这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。混合结构的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震作用剪力，有的高达90%以上。由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大，靠相对刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土筒的刚度或设置伸臂结构，形成加强层才能满足规范侧移限值。此外，在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。加强层和转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，且加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。因此在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择其结构模式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。

二、现代抗震设计理论

1.拟静力理论

拟静力理论是20世纪10～40年展起来的一种理论，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年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，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，从而完成抗震设计工作。

三、抗震设计过程中的几点必要性措施

1.建筑的平面布置、立面外观造型设计和抗侧力结构的平面布置宜规则、对称

对体型复杂、平面不规整的建筑，要在适当的部分设置防震缝。例如设防烈度为8度和9度时，在房屋的立面高差、错层较大、质量及刚度不同时，应该利用防震缝把建筑结构分割成平面和体形规整的多个独立部分，这样就能减少地震时附加扭转效应。

2.具备必要的强度和良好的延性（变形能力、耗能能力）

如果抗震结构体系有较高的抗侧力强度，但缺乏足够的延性，则这样的结构在地震时很容易发生脆性破坏(如无筋砌体)；但如结构有较大的延性、而抗侧力强度不高,在不大的地震作用下结构就会产生较大的变形(如纯框架结构)。例如：砌体结构设置约束构件,使其具有较好的变形能力；框架中设置抗震墙,使其抗侧力强度增加,则上述两种结构的抗震潜力都增大了。

3.抗震计算中的延性保证

延性控制准则的一般要求都包括对两个物理量的要求:一是所讨论的部件(如包括节点在内的梁柱接头区)在预定部位(如梁端)屈服后所能达到的变形量的大小;另一个是直到变形量增大到预期值为止,部件各部位都必须保持其应具备的承载力而不发生先期承载力失效。

抗震设计原则包括“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”，这三条原则是结构具备足够延性的有效保证。 “强柱弱梁”是指人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰；从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。“强剪弱弯”、“强节点弱构件” 是指人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏；因剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。

对构件内力按上述设计原则进行调整之后再设计构件或结构，从而保证结构在小震、中震、大震下实现抗震设防目标。

4.结构中避免出现短柱

钢筋混凝土材料本身自重较大，所以对于高层建筑的底层柱，随着建筑物高度的增加，其所承担的轴力不断增加，而抗震设计对结构构件有明确的延性要求，在层高一定的情况下，提高延性就要将轴压比控制在一定的范围内而不能过大，这样则必然导致柱截面的增大，从而形成短柱，甚至成为剪跨比小于1.5的超短柱。众所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱几乎没有延性，在建筑遭受本地区设防烈度或高于本地区设防烈度的地震影响时，很容易发生剪切破坏而造成结构破坏甚至倒塌。

混凝土短柱的延性主要受轴压比的影响，同时配箍率、箍筋的形式对混凝土短柱的影响也很大。高层混凝土结构短柱，特别是结构低层的混凝土短柱，其轴压比很大，破坏时呈脆性破坏，其塑性变形能力很小。提高混凝土短柱的抗震性能，主要也就是提高混凝土短柱的延性。因此，可以从以下几方面着手，采取措施提高混凝土的抗震性能。

（1）提高短柱的受压承载力

提高短柱的受压承载力可减小柱截面、提高剪跨比，从而改善整个结构的抗震性能。减小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的强度等级，即采用高强混凝土来增加柱子的受压承载力，降低其轴压比；但由于高强混凝土材料本身的延性较差，采用时须慎重或与其他措施配合使用。此外，可以采用钢骨和钢管混凝土柱以提高短柱的受压承载力。

（2）采用钢管混凝土柱

钢管混凝土是套箍混凝土的一种特殊形式，由混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料。由于钢管内的混凝土受到钢管的侧向约束，使得混凝土处于三向受压状态，从而使混凝土的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，混凝土特别是高强混凝土的延性得到显著改善。

当选用了高强混凝土和合适的套箍指标后，柱子的承载力可大幅度提高，通常柱截面可比普通钢筋混凝土柱减小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。

（3）采用分体柱

由于短柱的抗弯承载力比抗剪承载力要大得多，在地震作用下往往是因剪坏而失效，其抗弯强度不能完全发挥。因此，可人为地削弱短柱的抗弯强度，使抗弯强度相应于或略低于抗剪强度，这样，在地震作用下，柱子将首先达到抗弯强度，从而呈现出延性的破坏状态。分体柱方法已在实际工程中得到应用。人为削弱抗弯强度的方法，可以在柱中沿竖向设缝将短柱分为2或4个柱肢组成的分体柱，分体柱的各柱肢分开配筋。在组成分体柱的柱肢之间可以设置一些连接键，以增强它的初期刚度和后期耗能能力。一般，连接键有通缝、预制分隔板、预应力摩擦阻尼器、素砼连接键等形式。

5.抗震构造措施

通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。例如：框架梁、柱的箍筋加密要求；结构中设置支撑体系等等。

四、隔震结构设计

一般的建筑物是由建筑物整体吸收地震动的振动能量。大地震时，会在大梁与柱子上发生损伤，并有可能损坏建筑物功能。另一方面，隔震结构的建筑物则是在建筑物下方设置一种地震时比其他层产生更大水平变形的“隔震层”，使得上层建筑物不容易与地基共振，同时集中吸收振动能量。由于振动能量不容易传递到上方建筑物，于是就降低大地震时产生损伤的可能性。这不仅能保护建筑物使用者的生命，也能够使功能的维持以及收藏物的保护变得可能，也可缓和地震时的恐怖感。

1.地震时建筑物摇动的比较

(1)隔震结构的建筑物：由于隔震层在水平方向极为柔软，于是地震时的大部分变形都集中在隔震层上。可缓和上部结构的摇动，也不容易引起家具的倾倒及外墙的剥离，而且几乎不会发生柱子与梁的损伤。适用于步行困难者利用的设施。

(2)一般的建筑物：一般的建筑物在地震时会将振动传递到整个建筑物，于是家具就会倾倒、外墙剥离，而且柱子与梁也产生损伤，各个楼层发生几乎相同程度的变形。

2.隔震层的位置

根据建筑物的功能与结构性质去选择隔震层的位置。基础的隔震需要基坑，但是其与非隔震层部分之间的衔接，采用最低限度，就能够给建筑物整体带来隔震的效果。中间隔震层的电梯与楼梯的连接困难，适用于地下楼层多的情况，或无法设置基坑的情况，以及地震时上方楼层比特定楼层更容易振动的构造情况。

3.隔震构件的能力与特性

大变形时的垂直支承能力：隔震构件要求即使在大变形时也能够确实支承建筑物的质量。叠层橡胶需要设计成当最大变形发生时重叠部分不得小于直径1/2以下的尺寸。采用直径小的叠层橡胶时，必须采用在大变形时可支承建筑物的质量的构造。

参考文献：

【1】徐宜和，丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨[J].江苏建筑.2004(3).

【2】傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，1999年.

【3】.浅析高层建筑结构抗震设计［J］.消费导刊，2008，（11）.

作者简介：曾晓云( 1977- ), 女, 硕士,讲师,主要从事建筑结构的教学与研究工作