淺談建筑結構抗震的概念設計

盧俊濤

摘要：建筑結構抗震設計中的概念設計是對建筑抗震設計的宏觀控制，相對于低層建筑而言，高層建筑破壞和倒塌的后果就更加嚴重。為保證高層結構的抗震安全，達到安全和經濟的統一，有必要對高層結構的抗震設計、抗震結構和抗震技術進行探討。

關鍵詞；建筑結構 抗震概念

中圖分類號：TS958文獻標識碼： A

一、關于建筑結構抗震概念設計的概述

我國結構計算理論經歷了經驗估算、容許應力法、破損階段計算、極限狀態計算，到目前普遍采用的概率極限狀態理論等階段。地震具有隨機性、不確定性和復雜性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數，目前是很難做到的。而建筑物本身又是一個龐大復雜的系統，在遭受地震作用后其破壞機理和破壞過程十分復雜。且在結構分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，也存在著不確定性。因此，結構工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決。應立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經驗總結的工程抗震基本概念，從“概念設計”的角度著眼于結構的總體地震反應，按照結構的破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關鍵部位的細節構造，從根本上提高結構的抗震能力。

二、地震導致建筑破壞的原因

1.根據地震經驗，地震期間導致高層建筑破壞的直接原因可分為以下三種情況：

（1）地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂縫或錯位等地面變形，對其上部建筑的直接危害；

（2）地震引起的砂土液化、軟土震陷等地基失效，對上面建筑物所造成的破壞；

（3）建筑物在地面運動激發下產生劇烈震動過程中，因結構強度不足、過大變形、連接破壞、構件失穩或整體傾覆而破壞；

2.建筑的抗震概念設計

所謂“建筑抗震概念設計”是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想,依此進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。

3.建筑抗震設計方法的發展過程

（1）靜力理論階段

水平靜力抗震理論始創于意大利，發展于日本，該理論認為：結構物所收到的地震作用，可以簡化為作用于結構的等效水平靜力，其大小等于結構重力荷載乘以一個系數。

（2）反應譜理論階段

我國及國際上多數國家抗震設計規范本質上都采用了反應譜理論及結構能力設計原則。用規范規定的設計反應譜進行結構線彈性分析。?在早期方案設計階段，結構體系、結構體型的規則性及結構的整體性滿足規范的規定，以使結構能可靠地發揮非彈性延性變形能力。

（3）動力理論階段

應譜理論只說出了問題的一大半，而地震持時對結構破壞程度的重要影響沒有得到考慮”，從而推動了采用地震加速度過程來計算結構反應過程的動力法的研究。此一新理論不但考慮了地震的持時，還更近一步地考慮了地震過程中反應譜所不能概括的其他特性。

4. 高層建筑結構體系

設計地震區的高層建筑，在確定結構體系時，除了要考慮前面所提到的材料用量、建筑內部空間和使用的房屋高度等因素外，還需具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線，具備多道抗震防線，不會因部分結構或構件失效而導致整個體系喪失抵抗側力或承受重力荷載的能力，具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結構體系遭遇地震時有足夠的防倒塌潛力；在確定建筑方案的同時，應綜合考慮房屋的重要性、設防烈度、場地條件、房屋高度、地基基礎以及材料供應和施工條件，并結合體系的經濟、技術指標，選擇最合適的結構體系。

三、采取基礎隔震措施

1.傳統的抗震方法是依靠結構的承載力和變形能力，來耗散地震能量，使結構免于倒塌，但由于是一種“被動防震”，就不免存在許多不足之處。地震對建筑的破壞作用，是由于地面運動激發起建筑的強烈振動所造成的，也就是說，破壞能量來自地面，通過基礎向上部結構傳遞。人們總結地震經驗后發現，地震時結構底部的有限滑動，能大幅度地減輕上部結構的破壞程度?？萍颊撐??；诳蓜痈拍畹幕A隔震方案很多，主要有：（1）軟墊式隔震。在房屋底部設置若干個帶鉛芯的鋼板橡膠隔振裝置，使整個房屋坐落在軟墊層上，遭遇地震時，樓房底面與地面之間產生相對水平位移，房屋自振周期加長，主要變形都發生在軟墊塊處，上部結構層間側移變得很小，從而保護結構免遭破壞。（2）滑移式隔震。在房屋基礎底面處設置鋼珠、鋼球、石墨、砂粒等材料形成的滑移層或滾動層，使建筑物遇地震時在該處發生較大位移的滑動，達到隔震目的。（3）擺動式隔震?？萍颊撐?。擺動式隔震方式實質上是柔性底層概念的改進和引伸。（4）懸吊式隔震。這一隔震方式的構思是，將整個建筑懸吊在支架下面，避免地震的直接沖擊，從而大幅度較小建筑物所受到的地震慣力。

2. “基礎隔震”優化設計

當前，隨著高層建筑和超高層建筑的不斷出現，對于地震時建筑物的抗震性能也提出了更高的要求。對于這類高層或超高層建筑的抗震性能，我國2010年出臺的《建筑抗震設計規范》要求這類建筑物抗震性能必須達到“小震不影響使用，中震不需要修理，大震沒有人員死傷”的防震要求。美國和日本等國對建筑物的抗震設計規范也做有相似的規定。要使建筑物達到規范要求，做好“基礎隔震”優化設計被認為是當前最為成熟的設計理論。

“基礎隔震”指的是在建筑物底部與地基之間，通過增加適當“疊層橡膠支座；滾動、滑動支座，包括砂墊層、石墨墊層”等緩沖物，從而減弱地震時建筑物受到的地震波的沖擊，同時由隔震系統提供建筑物的位移，使得“底層位移，上層不動”。因此，在地震過程中，采用”基礎隔震“的建筑物整體變形非常小，可以起到有效地保護作用。目前，這一結構設計在我國、美國、日本的建筑物抗震設計中都得到有大量的應用。

四、其他抗震優化設計

1.屋頂建筑不宜過高過重，保證屋頂重心與下部建筑重心在一條直線上。頂層材料采用高強輕質、剛度分布均勻的建筑材料。

2. 提高結構阻尼

為高層建筑提供附加阻尼的另一新途徑，是利用主體結構與剛性掛板之間特殊裝置的非彈性性能和摩擦。采取這一措施后，可以使阻尼比僅為2%的抗彎鋼框架，有效粘滯阻尼比增加到8%或更多，從而使底部地震剪力和頂點側移降低50%。此外，通過采用高延性構件和附設耗能裝置也能有效削減地震反應。

五、小結

建筑抗震優化設計是建筑方案設計時必須要考慮的一個重要組成部分。相信隨著建筑力學和材料科學的不斷發展，將會有更多的新技術來優化我們當前的抗震設計思想，將會有更多的新材料被應用到建筑物的抗震設計中，以使我們未來的建筑物更加堅固，更加“優化”，從而保障所有的人民能夠在地震災害突然到來的時候生命安全不會受到威脅。

參考文獻

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