建筑结构设计中的抗震结构设计理念

建筑结构设计中的抗震结构设计理念摘要：针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展。

抗震设计是当前建筑设计较关注的话题；本文就建筑抗震设计的要求、目标、原则，以及相关的内容进行探讨。

工程技术人员在建筑、结构设计过程中必须充分运用抗震概念设计的优化准则及其相应的构造措施，确保工程质量。

本文分析了抗震体系类型地方选择，探讨了建筑结构设计中的抗震设计。

关键词：抗震；结构；设计方法；探讨前言::::如何能够让建筑在地震中保持安全，不受严重的损害，特别是近年来地震频繁，人们的生命财产受到严重威胁，建筑安全则成了社会安全的一个重要影响因素，为保证建筑的抗震能力，设计人员必须要根据相关标准，设计出具有相当抗震能力的房屋。

一、抗震设防的目标一般来说，抗震设防主要依据的是抗震设防烈度。

而抗震设防烈度的依据，是以国家规定权限审批或颁发的文件执行的，其是一个地区作为抗震设防标准。

通常情况下，是采用国家地震局颁发的地震烈度区划图中规定的基本烈度的。

从当前内外抗震设防目标的发展总趋势来看，其基本要求建筑物在使用期间，可以应对不同频率和强度的地震，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

建筑工程在施工中的设防的目标如下：（1）如果所遭受的是低于本地区设防烈度多遇的常规地震，建筑物不受损坏，不需修理仍可继续使用；（2）如果遭受到本地区规定的设防烈度的地震，建筑物，包括结构和非结构部分，可能损坏，但不会对人民生命和生产设备的安全造成威胁，经修理仍可使用；（3）如果遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震，尽量保证建筑物不倒塌。

也就是说，在建筑结构的防震设计上，设计方可以按照多遇烈度、基本烈度和罕遇烈度这三个层次进行考虑。

从概率上看，多遇地震烈度是发生机会较大的地震级别。

按照现行规范设计的建筑，在设计上要达到这样的防震效果：当遭遇多遇烈度作用时，建筑物处于弹性阶段，通常不会损坏；当遭遇相应基本烈度的地震时，建筑物将进入弹塑性状态，但一般不会发生严重破坏；当遭遇罕遇烈度作用时，建筑物可能会有严重破坏，但不至于倒塌。

二、建筑结构抗震设计方法要点我国所颁布的《抗震规范》提出了两阶段设计方法，以实现上述3个烈度水准的抗震设防要求。

第一阶段的设计方案，必须要符合抗震设计原则，同时根据与基本烈度相对应的众值烈度（相当于小震）的地震动参数，通过采用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用标准值和相应的地震作用效应，接着与其他荷载效应按一定的组合系数进行组合，同时对结构构件截面，进行具有针对性的承载力验算，如果建筑物较高，还必须要进行变形验算，以保证其侧向变形不要过大。

这样，一方面满足了第一水准下必要的承载力可靠度，同时也满足第二水准的设防要求（损坏可修）。

当然，最后还必须通过概念设计和构造措施来满足第三水准的设防要求。

对于非地震高发区的大多数建筑结构而言，只进行第一阶段的设计已经足够了，但根据建筑的特点和地区的特征，少部分结构诸如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构，还必须要进行第二阶段的设计，也就是按与基本烈度相对应的罕遇烈度（相当于大震）验算结构的弹塑性层间变形是否满足规范要求（不发生倒塌）。

如果发现有变形过大的薄弱层，那应该积极修改设计，或者可以采取相应的构造措施，以满足第三水准的设防要求，也就是大震不倒。

三、结构选型与结构布置1、结构材料的选择选择哪一种材料对建筑的结构抗震有着直接的影响，所以材料的选择应该与建筑的方案设计同步，在研究建筑形式的同时进着手进行研究。

同时还应该要确定采用什么样的结构体系。

这样做的目的，主要是为了能够根据工程的各方面条件，选择既符合抗震要求又经济实用的结构类型。

结构选型是较为复杂的一项工作，在选择时必须要考虑建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，再加上经技术、经济条件比较后再确定。

如果我们单从抗震角度考虑，好的结构型式，应具备以下特点：1）延性系数高；2）“强度／重力”比值大；3）匀质性好；4）正交各向同性；5）构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。

如果只从数据上看，按照上述标准来衡量，常见建筑结构类型，理论上的抗震性能优劣顺序是：1）钢结构；2）型钢混凝土结构；3）混凝土一钢混合结构；4）现浇钢筋混凝土结构；5）预应力混凝土结构等。

当然，在这里必须要强调的是，我们说的抗震最好的钢结构，其优越性是相对性的，从优点看，其延性，连接较好，具有可靠的节点，同时拥有在低周往复荷载下有饱满稳定的滞回曲线，从实际的经验看，钢结构建筑的表现都不错。

2、抗震结构体系的确定不同的结构体系，在抗震性能、使用效果和经济指标等方面的效果是不同的。

因此，确定适合的抗震结构体系至关重要。

1）必须具备明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；2）形成多道抗震防线，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的承载能力；3）必须具备必要的强度以及良好的变形能力和耗能能力；4）应该具有合理的刚度和强度分布，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。

总之，在选择确定建筑的结构体系时，建筑物刚度与场地条件的关系是必须要考虑的。

如果建筑物自振周期与地基土的卓越周期接近一致，那就说明建筑可能会产生共振，进而加重建筑物损害。

当然，在选择结构体系时，还应该要注意选择合理的基础形式。

基础应该有足够的埋深，如果是多层房屋，就应该设置地下室。

根据实践调查，设置地下室的房屋，可以减轻整个结构的震害。

至于那些地基软弱的，就应该考虑选用桩基、筏板基础或箱形基础。

而针对岩层高低起伏不均匀的情况，则可以考虑选择桩基，桩基可以穿入非液化土层，使建筑结构更加稳固。

如果建筑物层数不多、地基条件又较好时，也可以采用单独基础或十字交叉带形基础等。

3、结构布置的一般原则（1）平面布置力求对称通常情况下，对称结构在地面平动作用下只会发生平移振动，各构件的侧移量相等，这样就使得水平地震作用按构件刚度分配，所以各构件受力比较均匀，不会导致力的分布失衡。

如果是非对称结构，刚心会偏在一边，质心与刚心不重合，即便只是发生地面平动也可能出现扭转振动。

最终会导致远离刚心的构件，侧移量大，承担过度的水平地震剪力。

这就很容易发生严重破坏，甚至可能会导致整个结构因一侧构件失效而倒塌。

（2）竖向布置力求均匀结构竖向布置均匀，可以最大限度的使其竖向刚度、强度变化均匀，这样可以有效的避免出现薄弱层。

从建筑结构的特点看，临街的建筑物，往往会因为商业的需要，底部几层有大空间的设置。

非临街的建筑物，底部也可能门厅、餐厅或停车场，而出现大空间。

在这种结构中，上部的钢筋混凝土抗震墙或竖向支撑或砌体墙体到此被中止，而下部须采取框架体系。

地震经验指出，这种体系很不利于抗震。

因此，在实际的抗震结构设计中，应该要保持结构竖向布置的均匀。

也就是说，同一楼层的框架柱，必须要具有大致相同的刚度、强度和延性，以此避免地震时，因受力大小悬殊而被各个击破的危险。

4、选择抗震体系类型首先，建筑的体型要简单，平立面布置宜规则。

建筑物要是体型简单且规则，其不仅具有明确地受力性能，而且在设计时在地震作用下的实际反映及其内力很容易分析。

并且也比较容易处理结构细部的构造。

因此，此结构在遭遇地震使迫害程度很轻。

其次，建筑地震作用的产生、传递和分配受结构体系类型的规则性影响，并且建筑物的固有周期和抗震延性也受其建筑材料和结构体系的影响。

因而，影响了建筑的抗震作用。

因此，对于体型复杂、平立面特别不规则的就建筑结构的适当位置设置防震缝。

如果平面不规则的建筑结构，应进行水平地震作用计算和内力调整，并且采用有效的抗震结构措施，其应用到较薄弱位置。

在体型复杂的建筑中，不设防震缝时，计算模型应选择符合实际的结构来进行精细的抗震分析，对局部应力和变形集中以及扭转影响进行估计、对易损部位进行判别，从而提高抗震能力。

如果设置防震缝时，将建筑分成规则的结构单元，防震缝留有足够的宽度，应完全分开其两侧上部结构。

四、建筑结构设计中的抗震设计探讨1、基于承载力的结构抗震设计（一）基于承载力的抗震设计，建立在静力分析理论之上，以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应的大小、进行结构弹性位移验算，把结构构件的强度是否达到特定的极限状态作为结构失效的准则。

基于承载力的结构抗震设计方法是现行规范中普遍应用的基于承载力并考虑结构延性的抗震设计方法。

（二）结构构件抗震承载力的。

在结构构件抗震力验算过程中，设计地震作用力以单独的一项乘以荷载分项系数加入到结构构件的承载力验算的作用效应计算中。

当以”承载力准则”来考察抗震结构的安全水准时，地震力则被视为一项”荷载”，并以相应地震作用分项系数的取值体现其对构件可靠性水准的影响。

当以”设计地震力-延性”联合准则来综合权衡抗震结构的安全水准时，地震作用效应和其他荷载效应的组合效应起确定结构构件屈服水准的作用。

（三）结构地震作用降低系数与抗震措施。

现代抗震设计所采用的思路是用相对于设防烈度地震水准而言降低了的地震作用参与组合来进行结构的承载能力设计，以使结构在较低的地震作用时保持弹性工作状态；在较大的地震作用下，则引导结构以合理的方式进入屈服后反应状态，通过结构的非弹性变形来抵御一部分地震作用，使结构在不同水准的地震作用下满足相应的设防水准要求。

得出的基本规律是：如果以结构始终保持弹性反应所需要的设计地震作用为基准，则对不论属于哪个特定地震分区的结构而言，其取用的设计地震作用越低，结构在相同水准地震作用下达到的屈服后水平位移就越大，或者说位移延性需求就越高。

2、基于能量的结构抗震设计基于能量的抗震设计理论是从能量的角度考虑地震地面运动对于结构的作用，概念明确，能够较好的反映地震动强度、频谱、持时对结构破坏的综合影响，从输入能量和耗散能量的角度捕捉到结构在强烈地震作用下的非弹性变形历程。

由于能量分析的复杂性，基于能量的结构抗震设计方法还处在理论研究阶段，能实际运用到工程设计中的能量设计法至今还未完整的建立起来。

能量概念和破坏模型一直是抗震研究中的两个论题，特别是目前基于性能的抗震设计思路的提出，又对抗震结构的耗能能力及性能的研究提出了新的要求。

（一）基于能量的抗震设计方法的特点：基于能量的抗震设计方法从能量的角度考察地震对结构的作用和结构的损伤破坏的相互关系，用地震输入能量在结构中的转化、耗散来解释整个地震作用过程，原理更加清晰简洁；结构地震反应的能量分析方法以能量作为地震作用参数能够较好地反映结构在地震地面运动作用下的非线性性质及地震动三要素（幅值、频谱特性和持时）对结构抗震性能影响；能量分析采用动力时程分析方法，能够求得结构地震反应的全过程，使塑性累计损伤对结构破坏的影响能够清晰的反映出来，对结构损伤性能的控制有重要意义。