浅谈建筑抗震概念设计

浅谈建筑抗震概念设计

陆亮

1.江苏正宏城建设计研究院有限公司江苏宿迁223800；

2.身份证号码：321321198608164231江苏宿迁223800

摘要：抗震概念设计是根据实际经验或试验研究所得到的非常重要的定性设计原则或工程判断进行设计。抗震概念设计是关于设计思想，设计原则，结构体系等方面内容。抗震概念设计包括：场地选择，建筑平立面造型，结构体系的选择，非结构构件的处理，材料的选用等。由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够，在某种意义上，概念设计比计算设计更重要。

关键词：概念设计；建筑抗震

在某种意义上，建筑的抗震设计是一门“艺术”，依赖于设计人员的抗震概念设计理念。因此，抗震计算和抗震措施是不可分割的两个组成部分，而且“概念设计”要比“计算设计”更为重要。所谓“抗震概念设计”，指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，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。

结构概念设计是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能。即根据对结构品性（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。抗震概念设计包括正确的场地选择，合理的结构选型和布置、正确的构造措施等。

强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异。这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力、变形情况，并确保结构安全可靠。

结构抗震设计存在的不确定因素主要有：（1）、地面运动的不确定性。（2）、结构分析的影响。（3）、材料的影响。（4）、阻尼的变化。（5）、基础差异沉降的影响。（6）、地基承载力。

因此目前抗震设计水平远未达到科学的严密程度。要使建筑物具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面入手，做好抗震概念设计。如果整体设计没有做好，计算工作再细致，也难免在地震时建筑物不发生严重的破坏，乃至倒塌。20余年以来，世界上一些大城市先后发生了若干次大地震，通过震害分析对建筑物的破坏规律有了更多的认识，从而取得了抗震设计经验，确定了结构抗震概念设计的要点。

抗震概念设计主要措施有以下内容：

1、避开抗震危险地段，选择抗震有利地段

选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。

2、减少能量输入

1）薄的场地覆盖层。我国建筑抗震设计规范将场地覆盖层厚度定义为地面至坚硬场地顶面的距离，坚硬场地包括岩石或剪切波速大于500m/s的坚硬土层，但硬夹层或孤石堆等不得作为基岩对待。国内外多次大地震表明，对于柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻，直接座落在基岩上的震害更轻。

2）坚实的场地土。场地土是指场地范围内的地基土，平面上大致相当于一个厂区或自然村的大小，深度一般为地面下15米。震害表明，场地土刚度大的，房屋震害指数小，破坏轻；刚度小的，震害指数大，破坏重。此外，对于具有较长周期的高层建筑，位于软土上时，地震输入能量要比位于硬土上的大得多。因此，就减少地震能量输入这一点而言，有条件时，应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土。

3）将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。如果建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相等或相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。在进行建筑设计时，首先估计建筑所在场地的地震动卓越周期；然后，通过改变房屋类型和结构层数，使建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相分离。

4）采取基础隔震措施。利用隔震技术改变结构的动力特性，减少地震能量的输入，减小结构地震反应，以达到防震的目的。实际中采用的隔震方案有橡胶垫式隔震、滑移式、摆动式隔震、悬吊式隔震等。

3、有利的房屋抗震体型

1）平面宜简单：结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径，使计算分析模型更易接近实际的受力状态，所分析的结果具有更好的可靠性，据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证。

2）立面变化要均匀，即建筑的质量和刚度变化要均匀。结构布置不均匀产生刚度和强度的突变，引起竖向抗侧力构件的应力集中或变形集中，将降低结构抵抗地震的能力，地震时易发生损坏，甚至倒塌。

3）合适的房屋高度：一般而言，房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也就愈大，各种结构体系都有它最佳的适用高度。不同结构体系的最大建筑高度的规定综合考虑了结构的抗震性能、经济和使用合理、地基条件、震害经验以及抗震设计经验等因素。

4）不大的房屋高宽比：建筑物的高宽比是一个需要慎重考虑的问题，建筑物的高宽比愈大，地震作用的侧移愈大，水平地震力引起的倾覆作用愈严重。由于巨大的倾覆力矩在底层柱和基础中所产生的拉力和压力比较难于处理，为有效地防止在地震作用下建筑的倾覆，保证有足够的地震稳定性，应对建筑的高宽比有所限制。

5）足够的基础埋深：基础应有足够的埋深，有利于上部结构在地震动下的整体稳定性，防止倾覆和滑移，并能减小建筑物的整体倾斜。但是，地震区高层建筑物的基础埋深是否须要有最小限制的规定，一直存在争议，国际上大多数抗震设计规范都未对此作出明确规定。

6）防震缝的合理设置：防震缝的设置，应根据建筑类型、结构体系和建筑体型等具体情况区别对待。高层建筑设置防震缝后，给建筑、结构和设备设计带来一定困难，基础防水也不容易处理。

4、合理的抗震结构布置

1）结构力求对称，以避免扭转。对称结构在单向水平地震动下，仅发生平移振动，各层构件的侧移量相等，水平地震力则按刚度分配，受力比较均匀。非对称结构由于质量中心与刚度中心不重合，即使在单向水平地震动下也会激起扭转振动，产生平移—扭转耦连振动。

2）结构沿竖向要等强。结构抗震性能的好坏，除取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。

5、恰当的结构材料

为了使所设计的结构具有良好的抗震性能，设计者在研究建筑形式、结构体系的同时，也需要对所选择的结构材料的抗震性能有一定的了解，以便能够根据实际情况，选用既符合抗震要求又经济实用的结构类型。

6、提高结构抗震性能的措施

1）设置多道抗震防线：单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。

2）采用减震方法：（1）．提高结构阻尼。（2）．采用高延性构件。（3）．附设耗能装置。（4）．结构振动控制。

另外以下措施亦可提高结构抗震性能：优选耗能杆件；刚度、承载力和延性的匹配；

7、控制结构变形

8、确保结构整体性

要使结构具有良好的抗震性能，必须确保结构在地震作用下不丧失整体稳定性。因为，建筑在地震作用下丧失整体性后，或者由于整个结构变成机动构架而倒塌，或者由于外围构件平面外失稳而倒塌。

9、减轻房屋自重

一方面，由于水平地震力的大小，几乎与建筑的质量成正比。质量大地震作用就大；质量小，地震作用就小；另一方面因为重力效应在房屋倒塌过程中起着关键性作用。

10、妥善处理非结构部件

所谓非结构部件，一般是指在结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧向力的部件，例如框架填充墙、内隔墙、建筑外围墙板等。这些非结构部件在抗震设计时往往未给予充分注意，处理不当时，容易造成地震时倒塌伤人，造成未曾估计到的震害，甚至主体结构倒塌。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010

[2]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010