建筑结构抗震性能的优化设计研究

建筑结构抗震性能的优化设计研究

傅建虎

中国电建市政建设集团   天津市   300392

摘要：作为城市建筑的重要组成部分，高层建筑的抗震性能直接关系到公共安全和社会稳定。近年来，地震灾害频发，给高层建筑带来了巨大的损失，严重威胁到人民群众的生命财产安全，对高层建筑抗震性能的优化设计研究具有重要的现实意义。建筑的抗震性能不仅取决于建筑结构的类型、材料选择和施工工艺，还受到地基条件、设计原则及计算方法等多种因素的影响，本研究旨在为推动高层建筑抗震设计水平的提升提供理论支持和实践指导，为城市建设的可持续发展贡献力量。

关键词：建筑结构；抗震性能；优化设计；高层建筑；混凝土结构

本文通过分析高层建筑混凝土结构的特点、抗震设计的基本原则及影响因素，深入探讨了建筑结构抗震性能的优化设计研究，研究内容涵盖了结构布局、刚度分布、材料选择、地基设计以及施工工艺等多个方面，旨在通过科学合理的抗震设计，提高建筑在地震中的稳定性和安全性。同时，本文还强调了抗震计算与验算的重要性，并介绍了常用的计算方法，为建筑结构的抗震设计提供了科学依据。

一.建筑结构抗震性能优化设计的重要性

1. 保障公共安全与人民生命财产安全

高层建筑作为城市天际线的重要组成部分，承载着大量居民和财产。地震作为一种不可预测且破坏力极强的自然灾害，对高层建筑的抗震性能提出了极高要求，优化建筑结构的抗震设计，可以显著增强建筑在地震中的稳定性和承载能力，有效降低结构倒塌和严重损坏的风险，从而确保公共安全，保护人民的生命和财产安全。

2.推动建筑行业的可持续发展

随着社会对建筑安全性能要求的不断提高，抗震设计已成为衡量建筑质量的重要指标之一。为了达到国家对建筑物安全的规定，以及促进建筑行业的持续发展，对建筑结构的抗震能力进行优化设计显得至关重要，不断研究和创新抗震设计技术，提升建筑结构的抗震性能，可以促进建筑行业的技术进步和产业升级，推动整个行业的可持续发展。

3.促进抗震技术的创新与应用

抗震设计是一个涉及多学科、多领域的复杂系统工程，需要综合运用结构工程、材料科学、地震工程等多个学科的知识和技术。优化建筑结构的抗震设计，不仅要求设计师具备扎实的专业知识和技能，还需要不断关注和研究最新的抗震技术和研究成果，因此抗震设计的优化过程也是抗震技术创新与应用的重要推动力。持续的实践活动与深入探索，能有效促进抗震技术的进步与完善，进而为建筑结构抗震设计带来更加科学合理且高效的应对策略。

二.建筑结构抗震性能优化设计的策略

1. 优化结构布局与体型设计

优化结构布局与体型设计是提升建筑抗震性能的核心策略之一。通过科学规划建筑的整体布局，确保结构对称、均衡，减少不规则形状和布局带来的不利影响，能够显著提高建筑在地震中的稳定性和抗震能力。【1】

上海中心大厦作为内地优化结构布局与体型设计的杰出代表，充分展现了这一策略的应用成果。上海中心大厦采用了独特的螺旋式上升结构，从底部到顶部逐渐收缩，并保持高度的对称性，这种设计能有效减少地震作用下的扭转效应，提高了结构的整体稳定性。大厦的结构体系由多道防线组成，包括核心筒、巨型框架和伸臂桁架等，这些结构元素协同工作，形成了多重抗震机制，能够在地震中有效地分散和吸收地震能量，保护主体结构不受破坏。此外，大厦在结构材料上选用了高强度钢材和混凝土，这些材料具有优异的力学性能和耐久性，能够在地震中保持结构的完整性和稳定性，并且大厦的结构节点设计采用了先进的连接技术和构造措施，确保了节点在地震中的可靠性和稳定性，不仅能够承受巨大的地震力作用，还能保持结构的整体性和连续性。

上海中心大厦通过优化结构布局与体型设计、采用多道抗震防线、应用高性能材料以及精细化的节点设计等措施，实现了抗震性能的大幅提升。

2.增强结构刚度与延性

刚度决定了结构抵抗变形的能力，而延性则决定了结构在地震中吸收和耗散能量的能力。合理增加结构的刚度，可以减小地震作用下的结构变形，通过提高结构的延性，则可以确保结构在地震中保持整体稳定，不致倒塌。【2】

北京大兴国际机场航站楼是增强结构刚度与延性设计的典范。航站楼采用了巨型钢骨混凝土框架结构，结合了钢结构的轻质高强和混凝土结构的良好延性，有效提升了结构的整体刚度和抗震性能。除了主要的巨型钢骨混凝土框架外，航站楼还设置了多层次的抗震支撑体系，包括剪力墙、耗能支撑等，它们能够在地震中有效地分散和吸收地震能量，减轻主结构的受力负担。航站楼的材料采用了高强度钢材、高性能混凝土等优质建材，不仅具有优异的力学性能，还具有良好的耐久性和抗腐蚀性，能够在长期使用中保持结构的稳定性和安全性。此外，节点作为结构连接的关键部位，其设计质量直接影响到结构的整体性能和抗震能力，航站楼采用了先进的节点连接技术和构造措施，确保了节点在地震中的可靠性和稳定性。

北京大兴国际机场航站楼这一案例充分展示了增强结构刚度与延性在提升建筑抗震性能中的重要作用，这一实例为相同类型的建筑设计提供了极为珍贵的实践经验和理论依据。

3.优化地基与基础设计

地基作为建筑物与地面的连接部分，其稳定性和承载力直接影响整个建筑的安全性，科学合理的地基处理方法和基础设计，可以有效提高地基的承载能力和稳定性，减少地震对建筑的影响。【3】

四川成都天府国际机场在优化地基与基础设计方面展现了卓越的实践成果。在项目启动之初，天府国际机场进行了详尽的地质勘察工作，通过钻探、物探等多种手段，全面了解了场地的地质条件、地下水位、土层分布及物理力学性质等信息，为后续的地基处理和基础设计提供了准确可靠的数据支持。针对场地复杂的地质条件，天府国际机场采用了多种创新的地基处理方法，对于软弱土层和不良地质体，采用了桩基加固、换填法、注浆加固等多种措施，对于存在地下水的区域，则采用了降水井、防水帷幕等工程措施进行防水处理，提高地基的承载能力和稳定性。在基础选型方面，天府国际机场对比分析了不同基础形式的优缺点，选择了适合本场地的桩基基础，桩基基础具有较高的承载能力和稳定性，能有效减少地震作用下的结构变形和位移。

四川成都天府国际机场通过详尽的地质勘察、创新的地基处理方法以及合理的基础选型等措施，成功实现了地基与基础的优化设计，突显了在增强建筑物的抗震能力方面，优化地基与基础设计所发挥的关键性作用。

4. 加强重点部位的抗震设计

在建筑结构工程抗震设计中，加强重点部位的抗震设计是至关重要的。这些重点部位通常包括建筑的承重结构、连接节点、关键支撑构件以及人员疏散通道等，对这些部位进行特殊设计和加固，可以显著提高建筑在地震中的整体稳定性和安全性。加强重点部位的抗震设计不仅有助于减少结构损伤，还能确保在地震发生时人员能够安全疏散，降低人员伤亡风险。

中小学校在翻新装修时，都会注重重点部位的加固设计。首先是承重墙加固，采用钢筋网砂浆面层加固法，即在原有墙体表面铺设钢筋网，并喷射或涂抹水泥砂浆，形成复合墙体，提高墙体的承载能力和抗震性能。以及对楼梯间的梁、柱和楼梯板进行全面检查和加固，梁和柱采用了外包钢或增大截面的方法进行加固，楼梯板则增设了钢筋网和混凝土面层，以增强其抗弯和抗剪能力。连接节点加固包括对梁、柱、墙等构件的连接节点进行特殊处理，采用焊接、螺栓连接或增设节点板等方式，提高节点的刚度和抗震性能。经过加固后，学校能够更加有效的保障师生的安全。

加强重点部位的抗震设计是提升建筑抗震性能的有效手段，在实际工程中，应根据建筑的具体情况和抗震需求，制定科学合理的加固方案，并严格遵循相关建设标准进行执行和检验，以保证加强后的结构能达到设计标准。

三．总结

提升建筑抗震性能是一个系统工程，需要综合考虑多个方面的因素，在未来的建筑设计和施工中，我们应继续深化对这些策略的研究和应用，不断创新和完善抗震设计技术，为构建更加安全、可靠的建筑环境贡献力量。

参考文献

[1]张贤龙. 不同结构体系建筑的抗震设计及其自动优化方法研究[J]. 建筑技术开发,2024,51(5):31-33.

[2]解苏珍. 建筑结构抗震性能研究[C]. //2024工程技术应用与施工管理论坛论文集. 2024:1-3.

[3]徐骏. 建筑结构抗震性能评估与优化设计研究[J]. 中国建筑装饰装修,2024(11):104-106.