工程结构抗震概念设计

工程结构抗震概念设计

合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009

摘要：建筑结构抗震设计中的概念设计是对建筑抗震设计的宏观控制。在工程的一开始从建筑的场地选择、建筑形状、平立面形式、结构体系、延性、整体性和材料等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。较好的运用抗震概念和原则是结构抗震设计的必要前提。

关键词：建筑场地；建筑结构；抗震；概念设计

1 工程结构抗震概念设计的重要性

由于地震发生的随机性和结构本身的复杂性，建筑物的地震破坏机理目前还不十分清楚，结构抗震设计中尚存在许多不定因素，现行规范提供的地震作用估算和结构抗震计算的方法大都是具有一定概率水准的近似方法。人们在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到，不能单纯依赖数值计算追求结构的抗震能力，必须合理运用概念设计提高建筑的抗震性能。对于结构抗震设计来说，数值计算和概念设计具有同等重要的地位。

概念设计考虑地震及其影响的不确定性，依据依据历次震害总结出的规律，既着眼于结构的总体地震反应、合理选择建筑体型和结构体系，又顾忌结构关键部位的细节问题、正确处理细部构造和材料选用、灵活运用抗震设计思想，综合解决抗震设计基本问题。

2 抗震概念设计的基本原则与要求

2.1选择有利场地

造成建筑物震害的原因是多方面的，场地条件是其中之一。由于场地因素引起的震害往往特别严重，而且有些情况仅仅依靠工程措施来弥补是很困难的。因此，选择工程场址时，应进行详细勘察，搞清地形、地质情况，挑选对建筑抗震有利的地段，尽可能避开对建筑抗震不利的地段，任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。

对建筑抗震有利的地段，一般是指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土。建造于这类场地上的建筑一般不会发生由于地基失效导致的震害，从而可从根本上减轻地震对建筑物的影响。对建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指条状突出的山嘴、孤立的山包和山梁的顶部、高差较大的台地边缘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘；就场地土质而言，一般是指软弱土、易液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。

2.2合理选择建筑形状

建筑形状关系到结构的体型，结构体型对建筑物的抗震性能有明显影响。震害表明，形状比较简单的建筑在遭遇地震时一般破坏较轻，这是因为形状简单的建筑受力性能明确，传利途径简捷，设计时容易分析建筑的实际地震反应和结构内力分布，结构的构造措施也易于处理。因此，建筑形状应力求简单规则，同时注意遵循以下要求：

（1）建筑平面布置应简单规则。建筑平面的简单和复杂可通过平面形状的凹凸来区别。有凹角的结构容易产生应力集中或变形集中，形成抗震薄弱环节。

（2）建筑物竖向布置应均匀和连续。建筑体型复杂会导致结构体系沿竖向强度与刚度分布不均匀，在地震作用下容易出现某一层间或某一部位率先屈服而出现较大的弹塑性变形。

（3）刚度中心应和质量中心一致。房屋中抗侧力构件合力作用点的位置成为质量中心，地震时，如果刚度中心和质量中心不重合，会产生扭转效应是远离刚度中心的构件产生较大应力而严重破坏。

（4）复杂体型建筑物处理方法是——设置建筑防震缝，将建筑物分割成规则的单元，但设缝会影响建筑立面效果，容易引起单元之间的碰撞；不设抗震缝，但应对建筑物进行细致的抗震分析，估计其局部应力、变形集中及扭转影响，判明易损部位，采取加强措施提高结构的抗变形能力。

2.3采用合理的建筑平立面

建筑物的动力性能基本上取决于其建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。

经验表明，简单、规则、对称的建筑抗震能力强，在地震时不易破坏；反之，如果房屋体形不规则，平面上凸出凹进，立面上高低错落，在地震时容易产生震害。而且，简单、规则、对称结构容易准确计算其地震反应，可以保证地震作用具有明确直接的传递途径，容易采取抗震构造措施和进行细部处理。

2.4选择合理的结构体系

抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题。按结构材料分类，目前主要应用的结构体系有砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构、钢-混凝土结构等；按结构形式分类，目前常见的有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、简体结构等。结构体系的确定受到抗震设防烈度、建筑高度、场地条件以及建筑材料、施工条件、经济条件等诸多因素影响，是一个综合的技术经济问题，需进行周密考虑确定。

抗震规范对建筑结构体系主要有以下规定：①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；②结构体系宜具有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；③结构体系应具有必要的抗震承载力，良好的变形能力和耗能能力；④结构体系宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力；⑤结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，在结构布置时，应遵循平面布置对称、立面布置均匀的原则，以避免质心和刚心不重合而造成扭转振动和产生薄弱层。

2.5提高结构的延性

结构的延性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力，是防止在地震作用下倒塌的关键因素之一。

结构良好的延性有助于减小地震作用，吸收与耗散地震能量，避免结构倒塌。而结构延性和耗能的大小，取决于构件的破坏形态及其塑化过程，弯曲构件的延性远远大于剪切构件，构件弯曲屈服直至破坏所消耗的地震输入能量，也远远高于构件剪切破坏所消耗的能量。因此，结构设计应力求避免构件的剪切破坏，争取更多的构件实现弯曲破坏。始终遵循“强柱弱梁，强煎弱弯、强节点、弱锚固”原则。构件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系，致使结构的周期发生变化，以避免地震卓越周期长时间持续作用引起的共振效应。

2.6确保结构的整体性

结构是由许多构件连接组合而成的一个整体，并通过各个构件的协调工作来有效地抵抗地震作用。若结构在地震作用下丧失了整体性，则结构各构件的抗震能力不能充分发挥，这样容易使结构成为机动体而倒塌。因此，结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件，确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容。

为了充分发挥各构件的抗震能力，确保结构的整体性，在设计的过程中应遵循以下原则：①结构应具有连续性。结构的连续性是使结构在地震作用时能够保持整体的重要手段之一。②保证构件间的可靠连接。提高建筑物的抗震性能，保证各个构件充分发挥承载力，关键的是加强构件间的连接，使之能满足传递地震力时的强度要求和适应地震时大变形的延性要求。③增强房屋的竖向刚度。在设计时，应使结构沿纵、横2个方向具有足够的整体竖向刚度，并使房屋基础具有较强的整体性，以抵抗地震时可能发生的地基不均匀沉降及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。

2.7结构材料的选择

单从抗震角度考虑, 作为一种结构材料应轻质、高强、材质均匀; 构件间的连接应有良好的整体性、连续性及延性, 且能发挥材料的全强度。按照这一原则, 不同材料结构的抗震性能优劣排序是: 钢结构; 型钢混凝土结构; 混凝土- 钢混合结构; 现浇钢筋混凝土结构; 预应力混凝土结构; 装配式钢筋混凝土结构; 配筋砌体结构。工程中常用结构抗震表现分述如下:

(1)钢结构钢结构最符合抗震材料的要求, 从已有的地震震害实例来看, 钢结构的表现均很好; 但它当前的造价及维护费用较高。

(2)现浇钢筋混凝土结构该结构整体性好, 造价低廉, 有较大的抗侧移刚度, 并且经良好的设计可保证结构具有良好的延性。但该材料也存在难以克服的弱点: 当地震持时较长时, 在周期性往复水平荷载作用下, 构件刚度因裂缝的开展而递减, 且塑性铰区会产生反向斜裂缝, 将混凝土挤碎, 产生永久性的“剪切滑移”[7]。

(3)预应力混凝土结构预应力混凝土结构在非开裂状态下能承受较大的变形, 因而在烈度不高时结构破坏较轻,相应地其所贮藏的弹性变形能要比钢筋混凝土高, 但预应力混凝土结构的滞回曲线比钢筋混凝土狭窄, 所能耗散的滞后能量要少一些, 且由于预应力构件受压区配筋一般相对较少, 一旦混凝土开始压碎, 承载能力就会急剧下降, 因此在高烈度地区, 必须采取措施提高延性, 方能使用预应力混凝土结构。实践证明, 通过合理控制预应力筋的含量(Q≤0. 5%) 可以实现这个目的[8]。

(4)装配式钢筋混凝土结构此类结构致命的抗震弱点在于整个结构缺乏连续性和整体性; 框架节点等预制构件的连接和接头强度及变形能力均低于构件本身而形成薄弱环节; 同时预制构件装配时会产生次应力, 故这类结构不宜在高烈度地区采用; 但若采用整体装配式结构则可以改善这种情况[5]。

参考文献：

[1] 刘炳康沈小璞工程结构抗震设计.武汉：武汉理工大学出版社.2012

[2] 刘建荣翁季孙雁建筑构造.北京：中国建筑工业出版社.2013

[3] 许传华贾莉莉房屋建筑学.合肥：合肥工业大学出版社.2006

[4] GB50011-2001.建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2008.154-123

[5] GB50007-2002.建筑地基基础设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2002.113-103

[6] 黄存汉建筑抗震设计技术措施.北京：中国建筑工业出版社，2001.125-110