建筑结构设计中的抗震设计

摘要：据统计，全球每年平均发生500万次左右的地震。其中，5级以上的强烈地震发生在人类聚居区，就会造成地震灾害。为了抗御与减轻地震灾害，有必要进行建筑结构的抗震分析与抗震设计。

关键词：建筑结构抗震设计概念设计

1 现代抗震设计思路

结构抗震设计思路经历了一系列变化，我国抗震设计规范(GB50011―2001)规定建筑结构在抗震设计时，应遵循三个水准的抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在这种设计思想下，结构抗震设计已经经历了刚性设计、柔性设计，延性设计和结构控制发计4个阶段。随着对结构非线性性能的研究，人们发现设计结构所取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构的控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后非弹性变形能力来承受地震作用。从而形成了结构在一定水平地震作用下进入屈服，并达到屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

现代抗震设计思路，其注要内容是：合理选择确定结构屈服水准的地震作用。先以具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（中震），再以通过地震力降低系数R得到的设计用地面运动加速度（小震）来进行结构的强度设计，从而确定结构的屈服水准，采取有效的抗震措施满足结构设计时R对应的延性能力。

2 建筑结构抗震性能分析

地震的危害巨大，建筑物的抗震性能显得尤为重要。在抗震研究中对结构抗震性能进行分析是一项重要内容，非线性时程分析法和非线性静力分析法是目前常用抗震分析方法。

针对结构非线性反应的非线性时程分析法（非线性动力反应分析），经历了从建立在层模型或单列梁柱模型上的方法到建立在截面多弹簧模型上的方法，再到建立在截面纤维滞回本构规律的纤维模型法，这使得模拟的准确程度不断提高。其基本思路是通过一系列数值方法来建立和求解动力方程，从而得到结构各个时刻的反应量。但对地震特点和结构特性的假设，使其结果存在不确定性，其主要价值是用来考察地震作用下普遍的而非特定的反应规律，以及对抗震设计后的结构进行校核分析，评估其抗震性能。非线性静力分析法(pushover)是近年来得到广泛应用的一种结构抗震能力评估的新方法。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，但它将反应谱引入了计算过程。其根本特征是用静力荷载描述地震作用，在地震作用下考虑结构的弹塑性性质。它的基本思路是先以某种方法得到结构在地震作用下所对应的目标位移，然后对结构施加竖向荷载，并将表征地震作用的一组水平静力荷载以单调递增的形式作用到结构上，在达到目标位移时停止荷载递增，最后在荷载中止状态对结构进行抗震性能评估，判断是否可以保证结构在该地震作用下满足功能需求。

3 建筑抗震设计要求

3.1对场地、地基和基础的要求

选择建筑场地时，应根据工程需要，作出综合评价。选择对抗震有利地段，避开不利地段，无法避开时，应采取有效措施。为避免建筑物发生“共振”破坏，应尽量使地震动卓越周期与待建建筑物的自振周期错开，减少地震能量输入。从地震的调查结果看，存在“共振”破坏，同一场地，地震会“有选择”的破坏某一类型建筑物而“放过”其它。《抗震规范》规定，建筑场地类别根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度分为4类，见表l。地基和基础设计应符合以下要求：①同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；②同一结构单元不宜部分采用天然地基，部分采用桩基；③地基分为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应措施。

3.2选择对抗震有利的建筑平面、立面和竖向剖面建筑抗震

设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

3.3选择技术和经济合理的结构体系

结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。要具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。对可能出现的薄弱部位的结构体系，应采取措施提高抗震能力。另外，结构体系宜设置多道抗震防线。

4 抗震概念设计

建筑抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思路进行建筑总体布置并确定细部构造的过程。建筑抗震概念设计之所以重要主要体现在以下几个方面。

(1)地震及地面运动的不确定性。

(2)地震时地面运动的复杂性及对结构的复杂影响尚未被掌握。

(3)结构地震计算理论目前尚未能充分反映地震时结构反应及破坏的复杂过程。概念设计强调，在工程设计一开始，就应把握好能量输入、房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，就有可能使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。

抗震概念设计在总体上要求把握的基本原则可以概括为以下几个方面。

(1)建筑场地选择的基本原则：选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施。危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。

(2)建筑体型的确定：①建筑及抗侧力结构的平面布置宜规则对称，并应具有良好的整体性。②建筑物的立面布局宜采用矩形、梯形和三角形等变化均匀的几何形状，尽量不要采用带突然变化的阶梯形立面、大底盘建筑，甚至倒梯形立面，③建筑物应尽量减小高度，尤其是限制高宽比。

(3)结构抗震体系的选取：①结构体系应具有明确计算简图和合理地震作用传递途径；②结构布置应具备多道抗震防线，尽量避免部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；③结构应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和耗能能力；④对结构薄弱部位应采取有效的措施予以加强，防止出现过大的应力集中和变形集中。⑤结构平面两个主轴方向的动力特性宜相近，并尽可能与场地的卓越周期错开。

(4)多道抗震防线的设置：①优先采用具有多道抗震防线的结构体系。②纯框架采用强柱弱梁的延性框架。③利用赘余构件增加结构的抗震防线。

(5)非结构构件的处理：①建筑幕墙等尽量考虑结构在地震中的变形，并采用可靠的连接措施，建筑非结构构件的预埋件锚固部位应采取加强措施，以承受建筑非结构构件传给主体的地震力。②墙体材料：优先采用轻质材料。③刚性护墙沿纵向宜均匀对称布置，与主体可靠连接，能适应结构不同方向的层间位移。抗震设计规范修订后新增了强制性条文，框架结构的围护墙和隔墙，应考虑其设置对结构抗震的不利影响。避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

5 结语

在目前，地震是一种很难以预测的严重自然灾害，但是为了可以避免它给人们的生活造成巨大灾难，在建筑中，工程的设计人员就必须在建筑工程的设计方面，从宏观的整体观念出发。在抗震设计的建筑工程里，它是―个完整系统的工程，从建筑的结构设计里，它要惯穿于整个抗震设计，是一个过程。所以。我们在建筑设计中，要从可靠安全性和功能技术方面等内容考虑，要设计建造出具有更加完整，安全系数高以及更加优质美观的建筑，避免地震灾害给人类造成灾难和损失。

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