建筑结构抗震设计的探讨

摘 要：建筑工程质量的优劣直接关系到人们的生命安全。建筑设计是一项繁重而又责任重大的工作，直接影响到建筑物的安全、适用、经济和合理性。随着地震震害经验的积累和科研技术的进步，抗震设计已经逐渐在建筑设计中被高度重视，现已发展成为建筑设计的一个重要内容。

关键词：建筑结构;抗震设计

0引言

强烈的地震给世界各国人民造成了巨大的灾害。地震中建筑物的大量破坏与倒塌,是造成地震灾害的直接原因。因此, 研究更加安全、经济、可靠的结构新体系是工程结构抗震领域的主要课题, 对有效地减轻地震灾害有重要的现实意义。

传统的抗震结构体系是通过增强结构本身的性能来抵抗地震作用的, 即由结构本身储存和消耗地震能量, 以满足结构的抗震设防要求。但由于人们尚不能准确地估计结构未来可能 遭遇的地震动的强度和特性, 而按传统方法设计的结构其抗震性能不具备自我调节与自我控制的能力, 因此在这种不确定性的地震作用下, 结构很可能不满足安全性的要求, 而产生严重破坏, 甚至倒塌, 造成重大的经济损失和人员伤亡。

结构设计可能是彻底解决这一问题的方法, 通过在结构上设置控制机构, 由控制机构与结构共同控制抵御地震动等动力荷载, 使结构的动力反应减小。近十几年来,许多国家开始研究结构控制问题,这是一门新领域的学科,这项研究把结构设计概念从被动的只强调满足强度和刚度等约束条件的较低层次推向能动的操纵结构性态的更高层次,进而为工程设计与建设开辟了一条新的途径。工程结构控制有可能成为一种有效的工程设计与建设手段而得到广泛应用。

1抗震建筑的形式

1．1基础抗震

在建筑物最下层的基础部位设抗震层和抗震装置，是最基本的抗震结构形式，也是在工程中应用最多的抗震形式。采用基础抗震设计上应注意：在建筑物周边，抗震层部分要比基础大一圈，因此场地要宽裕；抗震层的周围设挡土墙，其上部有墙外狭道等，因此要确保地震时不因上部结构的移动而带来其它问题；方便检查和更换抗震装置；为使设备管线适应抗震层的位移和变形，常采用柔性连接或球型接点，但要考虑安放装置及检修的空间；抗震建筑物与其它建筑物之问的联系通道要适应相对变形，确保畅通无阻。

1．2中间层抗震

在基础以上的中问楼层设置抗震层，下部结构同普通建筑物一样直接与地基接触，因此它不存在基础抗震建筑的底部体积和墙体数量问题，但抗震层以下的楼层需要做抗震处理。在市区场地不太宽裕时，可把抗震层设计在地面以上，在空中变形有利于节约用地，同时也能有效减少地基的挖土量。采用中间层抗震，设计上应注意：为适应抗震层的移动变形，该部分的建筑外墙应设水平缝，要考虑防水、隔音、防火等，也要注意立面的协调美观；解决楼梯、电梯井、机器升降、设备管线等贯穿抗震层的问题，并考虑防火区问的划分；便于检查、更换抗震装置及耐火材料等。

1.3人工抗震地基

在多栋建筑物的人工地基下方设置抗震层，可一次性、大范围解决多栋建筑物的抗震问题，在集合住宅下方设置作为人工地基的共同管沟可提高整个城市空间的耐震性。全国首栋抗震楼采用人工抗震地基，设计上应注意：人工地基作为基本建设项目属共同财产，为各建筑物共同使用，应先明确所有权问题；人工地基上的建筑物不一定一次建成，应考虑部分竣工或增建改建等情况；人工地基设计时的标准掌握，建筑物的分摊份额及付款等法律上的问题，还有防火规范等，都应慎重考虑。

1．4抗震改造

由于建筑物下方增设抗震层，改变了支撑系统，使得基础工程量大大增加。与新建建筑物相比，既有建筑物的改造受到更多的条件限制：有要求边营业边施工的可能；要保持内外装修的连续性、一致性；还要确保通往建筑内部 的流线等。采用抗震改造时，设计上应注意：全面了解、把握建筑物现状，原有设计图纸，现场调查场地及建筑物耐震情况；确定建筑物在形态、材料等方面继续保留原样的程度和范围，在此基础上确定耐震加固及抗震层的位置等；考虑临时支撑或提升建筑物所需的空间和工作面；改造施工时采取措施，避免建筑物因不均匀沉降而受到破坏；明确设计标准，设定楼地面的强度，满足既有建筑物的承载力、变形能力、使用功能；考虑相应水平位移的对策，还要注意外观的连续性和亲和感，特别注意楼地面、墙等处伸缩连接的位置；增设中间抗震层时，应考虑贯穿抗震层电梯井与设备管线等的移动变形的改装和层高变更等竖向设计的问题。

2场地与规划

2．1场地条件

抗震建筑属长自振周期结构体系，最好建在主周期短的地基上。建筑场地宜为根据建筑抗震设计规范》fGB50011―2001)规定的I、Ⅱ、Ⅲ类。并选用稳定性较好的基础类型。

2．2规划设计

抗震建筑设置有抗震层，在地震时上部结构会产生位移。因此，外部空间应作包括邻栋间距、碰撞距离、消防及外观的舒适感等安全上的考虑。此外，建筑外墙、设施、坡地、挡土墙等。在场地规划时，也应从适应上部结构位移特性方面考虑。确定建筑物与场地边界线的关系，在可移动范围部分要避免建筑物与边界围墙接触、碰撞。特别注意上部结构或墙外之间的距离不能过大，避免人的随意钻人；当需要进入时，要有安全措施。建筑物在长期使用过程中，其整个可移动范围内不得堆放任何障碍物。在可移动范围一般设有建筑的出入口，要注意不能因为上部结构的移动而使人受到伤害，为避免人、车轻易进入(出入口除外)，最好设置门墙或指示标记等。

3设计性能目标

3．1抗震性能

大地震时具有高安全性是抗震建筑的特点，因此抗震设计以建设地区大地震的烈度为基准，以建筑本身及室内物品无损坏为目标确定抗震性能指标。非抗震的下部结构及基础部分(桩、挡土墙、地下室等)也要求有一定抗震能力，在大地震中结构基本保持在弹性范围以内。

3．2抗风性能

由于抗震建筑水平刚度小容易产生微小晃动，应考虑季节风等带来的影响，还会出现因风压而使抗震层的阻尼装置失效或高衰减的叠层橡胶的抗震效果降低等情况。因此风压产生的水平振动可能会有损建筑的使用安全性及抗震部件的耐久性。此外，罕遇的大台风也会使抗震层产生大的变形，所以要求抗震层具有抗风性。

4 降低抗震层的水平刚度

为了提高建筑抗震效果，使抗震层的水平刚度充分小并延长建筑物的自振周期，要求设计时，选择适宜的抗震支座和平面柱网尺寸。如柱网尺寸小、用量多而直径小的抗震支座，可降低抗震层的水平刚性；但直径小的抗震支座其变形上限也随之减小；换用直径大的抗震支座反而能提高抗震层的刚性。

5 避免抗震支座产生拉应力

为避免抗震支座产生拉应力，应把高宽比作为抗震建筑设计的限制条件之一。高宽比的上限取决于抗震支座总水平刚性的自振周期，并与自振周期成正比。把上部结构设定为刚体，使地震输入的能量与抗震装置吸收的能量平衡，以地震加速度作用的一刹那抗震支座不产生拉应力为目标。高宽比相同的建筑物，尽量使建筑物的轴力集中于建筑物的两端，可延缓拉应力的产生。

6 安全间距

为满足上部结构在地震时的变形，在水平方向，应保证具有上部结构地震变形量的1．5～2倍的安全距离，通常设计为30― 40cm 。对于竖向安全间距，应考虑到支座橡胶的变形(徐变、温度变形、水平变形时的竖向沉降等)设定为橡胶总厚的百分比再加上施工误差。水平方向除避免结构体的碰撞外，还应采取必要措施使变形部位的装修及设备管线不受损坏。

7 抗震装置布置

在抗震建筑的设计中，原则上应使抗震层所有抗震构件的刚心与上部结构的重心一致，不产生扭转。但是，由于建筑物的不规则和柱网尺寸的限制，仅靠柱下配置的抗震支座会产生抗震层的刚心与上部结构的重心不一致。采用与抗震支座独立的阻尼器设计，在阻尼器的弹性范围内，可以使抗震层的刚心与上部结构的重心一致，避免抗震层的振动扭转。如果阻尼器布置在建筑外周，抑制扭转变形的效果会更好。

8 抗震支座的更换

抗震支座出故障的可能性及如何实施更换等问题应事先有所考虑：抗震建筑需留设供检查及更换所有抗震支座及构件的通道与空间；抗震系统构件的修复及更换需在有抗震建筑设计或施工经验的建筑师或专业技师监督下进行。