对建筑抗震概念设计的探讨

摘要：随着我国经济的高速发展，全面计算机时代的到来，让我们更多年轻的工程师，对结构设计软件产生很强的依赖性，丧失自己主观的理解与判断，缺乏对结构设计深刻认识，结构设计不仅仅是上机计算，更重要的是概念设计，即所谓的“轻精度重概念”。本文结合自己的经历，就抗震概念设计方面讨论了一下个人的一点理解。

关键词：概念设计、延性、地震作用效应、构件设计

中图分类号：S611文献标识码： A

前言：

随着计算机结构分析软件的广泛应用和普及，人们对结构设计软件的依赖性也越来越大，各种结构形式通过建立模型、抗震计算、文件输出、绘制施工图，这一系列复杂的结构设计就基本完成了。结构设计这样的程序化，让多数年轻的设计师们误以为：结构设计就是体力活、熟练工种，没有什么技术含量，有时甚至过分地相信计算软件。

这样的“工程师 ”只能称只为绘图员，因为计算机软件有它的局限性、适用性和近似性：计算理论近似假定、结构模型化误差、非结构构件对结构刚度的影响、结构的实际阻尼...很多影响因素目前还无法给出准确的模型描述，只能靠概念和经验判断。

抗震概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。抗震概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应的措施，避免薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了概念设计。 那么什么是“建筑抗震概念设计”呢？下面我们一起来讨论一下。

一、什么是抗震概念设计

《建筑抗震设计规范》2.1.9条给出的解释：根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。

抗震概念设计就是把地震及其影响的不确定性结合起来，设计时应着眼于结构的总体反应，依据结构破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，从一开始就全面合理地把握好结构设计的本质问题，顾及关键部位的细节，力求消除结构中的薄弱环节，从根本上保证结构的抗震性能。

二、为什么要进行抗震概念设计

1.实际地震的不可预知性

① 实际地震的大小是现有科学水平难以确定预估的，虽然在确定烈度区划图时尽量体现了科学性、准确性，但由于可供统计分析的地震资料有限，在一定地区发生超过设防烈度的地震是完全有可能的。

② 同一建筑场地的地面运动的不确定性，不同性质的地面运动对建筑的破坏作用也不相同。

2.我国抗震设计的基本要求--两阶段，三水准等

两阶段：第一阶段设计是抗震承载力验算和相应的构造措施，以满足第一水准的设防目标，并满足第二水准的损坏可修目标；对大多数结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施，使结构具有足够的延性，以满足第三水准的设防目标。对于有特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构及有明显薄弱层的不规则结构，除了进行第一阶段设计外，还应进行第二阶段验算，验算结构薄弱部位的弹塑性层间变形，采取相应的抗震构造措施，防止结构倒塌，以满足第三水准的设防目标。

三水准：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

三、抗震概念设计应把握的重点问题

1.体系问题是结构设计应把握的头等重要的问题，应注意体系的合理性问题，优先采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工的具有多道防线的结构体系（如采用设置耗能连梁的抗震墙结构、框架-抗震墙结构、框架-筒体结构等，避免采用抗震能力较低的砌体结构、框架结构、尤其是单跨框架结构等），注意对承载力和刚度及延性的合理把握。

延性包括材料，截面构件和结构的延性。结构延性一般用延性系数表示，它表示结构极限变形（位移、转角、曲率）与屈服变形的比值，也可以用位移延性系数，转角延性系数等来表示。改比值越大，结构的延性越好。混凝土是脆性材料，其延性系数只有1~2，钢筋是很好的延性材料，钢筋混凝土延性主要是靠钢筋的延性来实现的。

提高钢筋混凝土梁的延性，主要有以下措施：

①合适的梁截面尺寸，以获得适宜的配筋率，避免梁受拉钢筋过多或出现超筋，使受压区混凝土先被压碎或剪切破坏。规范规定截面相对受压区高度，对于一级抗震应不大于0.25，对于二、三级抗震应不大于0.35，且受拉钢筋配筋率不大于2.5%。

②加密区箍筋不仅可提高梁的抗剪强度，防止剪切脆性破坏，还可加强对混凝土的约束和避免受压纵向钢筋产生屈服，改善梁的延性。

提高钢筋混凝土柱的延性，主要有以下措施：

①控制钢筋混凝土柱的柱压比；

②尽量避免短柱，长柱的延性比短柱好；

③柱箍筋的加密，采用复合箍筋对改善柱的延性有好处，可以增强对混凝土的约束。

④柱箍筋的加密，采用复合箍筋对柱的延性有好处，可以增强对混凝土的约束。

提高钢筋混凝土剪力墙的延性，主要有以下措施：

①控制钢筋混凝土剪力墙的高宽比，使其大于2，这样的剪力墙其受力性能接近于悬臂梁。

②尽量做有边缘构件的剪力墙，而且边缘构件的受力钢筋要有很好的锚固；

③尽可能采用连肢剪力墙，它可以大大提高剪力墙的延性；

④当剪力墙很宽时，适当在剪力墙中有规则地开结构洞。

在这里我想说一下，我们一些年轻的设计师们，通常为了降低建筑造价，减小剪力墙的墙垛，人为的加大了剪力墙直接的开洞尺寸，没有形成连梁，使之各剪力墙孤立起来，不能有效的成为一个整体，而是“各自为政”。这样的做法，取消了连梁作为剪力墙结构的第一道防线，而是将剪力墙直接作为第一道防线。

2.结构布置问题，应采用概念清晰、传力路径明确的结构布置，避免造成结构扭转、平面和立面的里出外进、竖向传力构件的间断等其它不规则。注意把握抗震墙的合理间距问题、结构的协同工作问题、上部结构与地基基础的协调变形问题等。

3.结构抗震设计的关键部位，注意对结构体系的关键部位、结构构件等关键部位的把握，实现“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件及强柱根”的设计理念。注意对加强部位（竖向构件的加强部位、楼面结构的加强部位、地基基础的加强部位等）的把握。

对于框架结构，首先在梁端产生塑性铰，消耗地震能量，产生塑性铰后，结构刚度下降，计算简图发生变化，地震作用减小；如继续强震作用，则在部分柱底出现塑性铰。主要采取的措施是在SATWE计算参数中利用梁端弯矩调幅系数，将梁固端弯矩进行调幅，从而实现强柱弱梁。

对于剪力墙结构，结构刚度一般很大，在底部宜出现塑性铰，在剪力墙结构设计中采用底部加强区来提高其延性；当为联肢剪力墙结构时，首先在连梁中出现塑性铰,吸收地震能量，同时建筑刚度减少，地震作用减少，如继续强震作用，会导致联肢墙部出现塑性铰。采取的措施是：在剪力墙的端部以及墙交叉处设置暗柱。

四、如何做好抗震概念设计

1.抗震概念设计应依托抗震设计的基本理论、清晰的力学概念，应注重对地震灾害的调查及对地震经验的总结，注意发现并改进抗震设计方法，注重抗震设计实效。

2.抗震概念设计要求结构设计人员，依据在学习和实践中所建立的正确概念，运用正确的思考和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能，并依据对结构特性的正确把握，合理确定结构的总体布置与细部构造。

3.抗震设计应考虑地震及其影响的不确定性和相关规律性，尽管地震影响具有不确定性，但震害调查分析表明其也具有一定的规律性：

① 一般情况下，震级大、震中距小时，对较刚性建筑物的破坏大；当震级大、震源深时，对远距离较柔性的建筑物影响大。

② 场地条件（场地类别和覆盖层厚度等）也直接影响结构地震作用效应的大小。

4.由于地震的不确定性和地震作用效应的复杂性以及计算模型与实际情况的差异，抗震设计不能依赖计算。

五、结语：

总之，概念设计是影响结构抗震性能的最重要因素。先进的设计思想可以通过概念设计充分的展现。在结构设计时要重视结构概念设计，运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，概念设计是结构设计的核心和灵魂，它统领结构设计的全过程。

参考文献：

[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范

[2]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析，中国建筑工业出版社，2011.

[3]东南大学，李爱群 高振世，工程结构抗震设计，中国建筑工业出版社，2005.