抗震设计体会与概念设计分析

摘要:随着人们对地震灾害预防意识的日益增强，建筑师和结构工程师逐步认识到良好的概念设计才是建筑结构抗震性能的基础。设计中落实包括概念设计在内的建筑设计理念是提高建筑物的整体抗震能力的关键。

关键词:建筑结构;抗震;概念设计

1建筑设计与抗震设计的关系

建筑方案设计对结构抗震性能起重要的基础作用，合理的结构概念设计能最终实现建筑抗震设计理念。建筑抗震要求与建筑设计有机地结合起来，能使建筑抗震设计水平达到结构设计与建筑设计本身的和谐统一。这就要求建筑师能在建筑方案开始和初步设计深化中考虑抗震的要求，结构工程师才可能对结构体系和构件系统进行合理的安排与布置，确定建筑结构的质量分布和刚度分布均匀协调以及相应产生的地震作用、结构受力和变形合理，最终使建筑结构的抗震性能和抗震承载力得到改善和提高。从方案阶段建筑设计考虑到抗震要求，并在深化方案中逐步落实、贯彻概念设计的思想，能从总体上对建筑抗震设计起着直接的制约作用。

2建筑抗震设计现状的体会

2．1愈发复杂的结构设计规范、标准和技术措施

TJ11－74《工业与民用建筑抗震设计规范》经过了40多年的不断发展和完善，我国先后制(修)订颁布施行了以GB50011－2010《建筑抗震设计规范》为基础的30多项抗震防灾为主的国家标准和行业标准。这些标准内容涵盖建筑工程抗震设计、建筑结构中非结构构件、设备设施抗震设计以及专项工程和结构的抗震设计(例如地铁轨道交通)。除此以外，还有包括GB50010－2010《混凝土结构设计规范》、JGJ99－2015《高层民用建筑钢结构技术规程》、JGJ3－2010《高层建筑混凝土结构技术规程》等在内的专业技术标准规程，这些标准规程不同层面范围均涉及具体的抗震设计技术内容。一方面是抗震设计的规范越来越完备，另一方面使用中也给结构工程师带来困惑甚至矛盾。

2．2社会发展需求与规范技术发展之间的矛盾

我国建筑抗震设计一直沿用的“两阶段、三水准”的设计方法，其目的是实现防止建筑在预期的大震下倒塌破坏，保证建筑使用人员的生命安全。随着社会的不断发展，人们对房屋建筑的要求不仅仅局限于生命安全的单一水准要求上，根据不同维度的需求提出了多层次的建筑性能要求。工程实践中也出现了很多新型建筑结构形式，比如，伴随新型城镇化和建筑工业化的发展，新型预制装配式结构、混凝土－钢复合结构(包括水平复合、竖向复合等)必将大量使用，综合地下轨道交通工程、综合市政工程、地下综合管廊等地下结构等。新型结构型式急需抗震设计技术规范的支持。

2．3现行规范没有能完全覆盖的结构体系

仅从建筑结构这个领域看，现行抗震设计规范体系对以下结构体系仍然没有能够完全覆盖，如:建筑空间需要的少墙框架结构和少支撑框架结构，高层建筑结构中下部混凝土－上部钢框架复合结构和钢筋混凝土核心筒－钢框架组合结构、钢筋混凝土/型钢混凝土框架－钢支撑组合结构、体育馆等大跨空间结构，功能组合复杂的地下建筑结构，正在快速发展、使用消能减震技术结构。结构设计实践上，工程师仍然要通过对规范的实质地把握和自己的工程经验，对涉及的问题进行判断及探索。

2．4基于性能的设计方法

我国现行的抗震规范有三个水准的设防目标:第一阶段是结构弹性阶段，截面设计实现第一水准强度要求，随后验算弹性位移及配合抗震构造措施实现满足第二水准的变形要求，第二阶段用第三水准烈度验算弹塑性变形及结合抗震构造措施满足第三水准的防倒塌要求，其基本目的是保障生命安全。近十几年来的大震震害调查显示，按现行抗震规范设计和建造的建筑物，在已经发生的地震中经受住了检验，基本实现没有倒塌，保障了生命安全的目标。但是地震破坏仍然造成了严重的包括间接损失在内的经济损失，甚至影响到了社会的发展，而且这种破坏和损失经常超出设计者、建造者和业主预先的估计。从另一方面看，伴随着经济发展和现代化城市化的进程，城市人口密度在不断加大，城市设施愈发复杂，单次地震造成的综合损失和间接影响未来只会越来越大，迫使人们逐渐认识到仅强调抗震结构在地震作用下不受严重破坏和不倒塌，仍然不是一种全面、完整的抗震思想。实际上，公众与社会对不同的结构抗震性能存在多种层次的需求，如何改进现行的单一抗震设计理念，使结构在地震灾害中的抗震性能达到人们多层次、个性化的目标要求，这是结构工程师面临的重要课题。2010版抗震设计规范增加了关于性能化设计的原则规定与性能化参考指标要求，在一定程度上已反映出这些需求的区别，性能化设计的方向已经确定，但在实践中尚需要进一步完善。

2．5建筑抗震与防灾减灾的融合

总体上城乡建设抗震防灾基础依然薄弱。建设工程抗震管理缺少法律法规支撑，抗震防灾管理和技术力量薄弱。城市抗震设施建设数量不足，设防水平低，布局不均衡，应急保障和服务水平不高。农村自建住房抗震水平偏低，小震大灾情况时有发生。城镇不满足抗震设防标准或未进行抗震设防的房屋建筑存量大，《中国地震动参数区划图》修订后这一短板更加凸显。新建建筑工程抗震设防有抗震设防审查等一系列制度支持，抗震政策落实贯彻基本到位，市政公用设施抗震设防专项论证制度逐步实施，建筑工程可持续抗震能力可以预期。工程实践上经常遇到村镇建筑，由于没有纳入基本建设管理范围，村镇建筑安全选址和抗震防灾要求，村镇建筑防灾设计、抗震措施普及、农房抗震设防水平等都是盲区。

3回到原点的建筑抗震概念设计

3．1概念设计

由于地震是一种随机震动，具有不确定性，加之地震影响非常复杂，要准确预测出条件千差万别的建筑结构所遭遇地震的准确特性和参数，目前很难做到。在从结构分析角度，由于未能充分考虑材料的非弹性性质、空间作用、材料的时效性等复杂因素，结构抗震计算分析本身就是近似的。从这个角度看，工程结构抗震问题不能完全依靠结构“计算设计”解决。以工程抗震基本理论为基础结合长期工程抗震经验总结的工程抗震基本理念，往往成为良好结构抗震性能的决定性因素，这即是建筑结构抗震设计中非常重要的“概念设计”。概念设计在抗震防灾标准中是根据地震灾害和工程经验总结基本设计原则和设计思想，是在工程设计中建筑结构总体布置和确定细部构造的一个过程。概念设计包括场址和线路方案选择、建设场地条件、地震影响特性(震级大小、地震影响强弱、震中距大小等)、建筑体型、设备工艺要求和结构布置、结构体系、设置多道抗震防线、结构构件承载力和结构延性的平衡、构件连接、材料性能和施工方面提出完整配套的一系列措施，概念设计落实过程从不同的方面整体落实工程设施的抗震性能。

3．2牢固树立概念设计理念意识

建筑方案设计的目的是构造功能与美观协调统一的建筑空间，结构工程师的首要任务是在此过程中配合处理好结构方案、整体结构、子结构、结构构件之间的整体关系。结构工程师的概念设计能力积累会贯穿于在一系列设计实践的不懈追求中，结构工程师要不断用行动抵制被动参与建筑结构设计，抵制只关注结构计算是否通过规范及计算机辅助程序的计算反馈快速出图和完成设计的诱惑。结构工程师应把更多的精力放在建筑方案阶段对应的结构概念设计的思考上，综合运用其掌握的结构概念设计理念，实现选择效果最好、经济性平衡的结构方案，从整体上把握结构设计的方向，避免误入歧途。

3．3牢固树立概念体系思想

GB50011－2010《建筑抗震设计规范》对抗震结构体系归纳、明确了几点要求:①结构体系计算简图应该明确，结构地震作用传递途径合理;②结构体系应该避免因构件破坏或部分结构破坏而导致体系整体丧失抗震能力和结构对重力的承载能力，即要求具有多道抗震防线;③结构应该具有必要强度、良好变形能力及地震作用下的耗能能力;④合理强度和刚度分布的结构体系避免出现体系薄弱部位(局部削弱和突变产生应力集中或塑性变形集中)，对结构体系中潜在薄弱部位，通过采取提高抗震措施方法提高抗震能力。设计实践上，要自始至终树立完整的体系思想，避免掉入个别指标不够或超限的“细枝末节”的结构抗震设计“陷阱”。

3．4具有多道抗震防线的结构布置

多道抗震设防结构体系的特性包括:①结构平面质量分布宜均匀对称，刚度中心宜尽量与质量重心靠近，从而减少偏心;②整体结构要有足够的刚度，且结构不同区段刚度沿竖向连续均匀，避免突变;③多道抗震设防防线的结构在大震作用时，实现利用赘余杆件的屈服滞回与反复变形耗散地震波输入的能量，从而实现局部屈服破坏后使整体结构仍然能过渡到另一种稳定的结构体系。

3．5构造措施实现结构的延性

抗震计算分析与抗震措施落实是保证结构安全性的两种不同手段。由于地震发生后不同场地条件地面运动的不确定性，在抗震概念设计理念指导下的抗震措施尤为重要。在不同的抗震技术标准中，有关构造措施的要求和条文均占了非常大的比例，而且强调了措施要求的重要性，这也是抗震设计标准区别于其他工程技术标准的显著特点。在第三水准抗震设计中，结构已经进入弹塑性状态，决定结构安全的不再是强度而是结构本身延性实现的多道防线及大震不倒。而结构延性的实现主要依靠合理的构造措施来控制与保障，因此，有效的抗震构造措施对结构抗震目标的实现非常重要。钢筋混凝土结构改善竖向构件延性的构造措施手段包括:①剪切型破坏的延性弱于弯曲型破坏，构件弯曲屈服到破坏所耗散的地震输入能量远远高于剪切型破坏耗散能量，也就是控制好构件的破坏形态，有意识控制结构破坏发展及塑化过程，增强结构破坏过程中对地震能量的消耗，结构设计在计算与构造采取措施实现更多构件弯曲破坏避免剪切破坏。②结构构件轴压比。对于混凝土框架，竖向构件结构柱是实现结构不倒塌最重要构件，钢筋混凝土柱延性比随柱轴压比增大会急剧下降，设计中控制好柱子轴压比是整体延性的关键，设计采用适度增加箍筋的配置实现构造上延性的改善。③对于应力分布复杂、剪力大、延性差的个别构件，通过型钢混凝土的运用实现抗剪需求和构件延性平衡。④高强混凝土的使用可以降低轴压比进而实现竖向受力构件的延性，设计中注意与之关联的剪压比指标合理等。

3．6注重结构整体性

建筑在地震作用下，由于不合理的局部构件失效导致整个结构变成机动体系倒塌、结构构件平面外失去稳定性倒塌都属于结构丧失整体性。结构设计要加强构件间的连接，保证传递地震作用的强度要求和地震时后变形延性需求，保证构件充分发挥其作用，构件连接不破坏与失效，始终保持结构体系的整体完整性。除了常规分析整体性，在施工阶段的施工也存在整体性的考虑，如砌体结构中，作为砌体结构的约束构件构造柱，通过先砌筑墙体后浇筑构造柱混凝土的方式，使组合构件的整体性得到实现。

3．7重视非结构构件设计

非结构构件一般不属于主体结构的一部分，是依附于主体结构，非承重的结构构件在抗震设计时也是容易被忽略的部分。非结构构件主要包括非结构构件和建筑附属机电设备，都应该进行抗震设计，大致可以归属以下几类:①女儿墙、厂房高低跨封墙、雨篷等附属构件，此类构件的抗震问题主要是加强自身的整体性与同主体结构可靠连接锚固;②维护墙、内隔墙与填充墙等非结构墙体对主体结构抗震性能的不利影响，包括减小主体结构自震周期增加地震作用，改变主体结构的刚度分布从而改变地震作用下构件之间内力分布，改变主体结构的受力状态，如局部高度的填充墙造成主体结构短柱存在导致柱脆性破坏;③建筑装饰、贴面、顶棚与悬吊物等，通过加强连接与柔性连接并举，防止地震时的脱落与破坏;④附属机电设备支架等地震影响，主要是位置设置适当、与主体结构连接锚固可靠。

3．8利用好计算机辅助系统验证概念设计

建筑个性化的需求越来越受到重视，这些个性化带来建筑平面变化、立面丰富甚至特殊，各种新型复杂组合体形(包括大底盘多塔、主裙楼整体连接、结构连体、立面多次收进退层和悬挑等结构)、复杂结构体系(多体系组合结构、不同类型结构转换和巨型结构等)越来越多。对这些结构体系的分析，应采取相应的、多个不同的力学模型进行分析比较。这些分析比较经常关注不同分析模型在地震作用下承载力的客观一致性，主要振动周期、振型、位移和最大受剪承载力出入不大，对补充进行弹性时程分析地震波选取符合规范统计意义上相符，弹塑静力分析或弹塑性动力补充分析及按分析结构校核及进行配筋设计。通过先进的计算机辅助技术手段，可以围绕性能化设计的要求，实现结构构件、结构体系的性能化设计。通过正确运用这些技术手段，能实现结构设计分析过程的可视性，进而实现结构设计的安全性和经济合理性。这些辅助技术的运用，回过头来又促进了建筑结构概念设计理念的全面落实。

3．9隔震与消能减震设计

隔震与消能减震设计都是目前发展迅速的减轻地震灾害的技术。隔震技术通过在建筑物基础与底部或者上部与下部之间设置隔震层，隔离地震能量向上部传递，有效降低上部结构的地震反应。理论分析与强震记录证实，建筑隔震可以降低地震水平作用60%左右，相当于降低设防烈度1．0～1．5度，高烈度区隔震建筑可以获得较好的经济效益。消能减震建筑通过设置消能部件(阻尼器、连接支撑或其他连接构件组成)，阻尼器在地震中变形吸收和消耗地震能量同时附加结构阻尼，减少地震反应，实现保护主体结构不发生或仅仅发生较小的地震损伤。结构工程师应该主动利用好结构设计新技术提升抗震概念设计。

4结语

概念设计是整个建筑抗震设计的重要基础，为提高建筑物的整体抗震性能提供了可能。在建筑抗震设计中，建筑设计与结构设计必须协调统一。概念设计是解决抗震设计本身的计算近似性及地震作用的不确定性的基本途径，结构工程设计经验的积累过程就是概念设计思维运用的积累过程，建筑结构概念设计的把握甚至比设计软件的计算运用要求更高。结构设计中只有自觉遵守主动运用概念设计理念原则，才能不断适应建筑需求变化给结构抗震设计带来的各种新的挑战。

参考文献:

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作者：刘皓 单位：云南开发规划设计院