土木工程結構設計中的抗震問題分析

朱麗佳

【摘要】我國是一個地震高發的國家，建筑的抗震設計對于減輕人員與財產損失具有十分重要的意義，我國建筑抗震結構的設計與發展來講雖然進步很大，但是仍有許多不足之處，主要是建筑抗震規范與我國實際情況存在部分脫節，建筑抗震設計從業人員整體上素質不高，缺乏對高層重要建筑的抗震方案設計能力，在場地與材料選擇方面缺少專業能力。針對這些情況，應當從優化建筑結構體系、重視建筑場地選擇、建立多道抗震防線等方面加強改進。

【關鍵詞】抗震;結構設計;結構體系

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.07.065

引言：

地震是對建筑物結構產生嚴重損壞，帶來巨大損失的自然現象。隨著全球城市建設的快速發展，城市的土地越來越少，土地價格越來越高，高層建筑的高度越來越高，地震帶來的損失也越來越大。1976年唐山大地震造成24萬多人死亡，經濟損失不可估量;1995年日本阪神大地震造成六千余人死亡，經濟損失和重建費用高達2000億美元以上;2008年我國汶川地震造成約7萬人死亡，僅直接經濟損失就高達上萬億元人民幣。如果建筑的結構設計達不到抗震設防的標準要求，在地震中將帶來嚴重的人員傷亡和財產損失，因此需要高度重視建筑結構抗震問題，確?？拐鹦阅芊弦幏兑?。

1、抗震理論的發展狀況

1.1世界抗震理論發展過程

建筑工程抗震設計根據人類力學理論和建筑設計理論的發展變化，主要經歷了靜力彈性分析、反應譜分析和動力分析三個階段。

（1）靜力理論階段。在上世紀除提出，這種方法將地震作用簡化為靜力，取自身重力模擬水平地震作用，該方法較為原始，在地震多發的日本最早應用。1900年，日本學者大森房吉提出了該理論，認為估計地震力時，暫時不考慮其動力學特性，假設結構為剛性， 地震的作用在結構或構建的質心處，將地震作用簡化為一個常數，并在該理論的基礎上提出了“家屋耐震構造論”。這種理論對于木質、底層的日式民用建筑具有一定的適應性，并作為抗震設計的鼻祖，開創了抗震結構計算的先河，在此基礎上，日本先后衍生出剛性理論、柔性理論兩種抗震理論，在這兩種理論基礎之上，日本陸續發展處消震隔震減震理論、能量耗散理論和抗震設計的能量理論等雛形。

（2）抗震設計反應譜理論階段。這種理論在靜力理論的基礎上加以改進，伴隨著地震觀測和記錄數據越來越多，研究的科學性也在逐漸增強，1933年，美國的第一臺強震記錄儀成功記錄到了長灘地震的數據，并在后續數十年的地震觀測提供了較多的理論數據支持。

該理論自上世紀五十年代提出，結合了當時建筑力學的最新研究成果，考慮了結構動力特性與地震動特性之間的動力關系，考慮了結構自身特性所引起的共振效應，該方法為現代地震設計理論的基本雛形，并一直沿用至今。

（3）動力理論階段。這種方法進一步考慮了動力分析的方法，并把動態應用和動態設計應用到抗震計算中。這種方法的出現主要得益于計算機技術的和試驗技術的發展，人類對各類結構在線性和非線性反應過程有了較多的了解，且隨著地震記錄儀在全球范圍內的普及，各種受損結構的地震反應記錄大幅度增加。這種理論改變了靜力理論、動力理論把地震考慮成一個作用力的計算思路，把地震作用用時間維度來考慮，計算每一個時刻建筑物的反映。比傳統的反應譜理論更加貼合實際，對抗震的反映更加有效。目前世界上主要國家都在抗震規范中加以應用。

（4）結構性態理論。這種理論于上世界末由美國和日本提出，主要考慮到了不同結構體系面對地震時的響應存在顯著區別，不適合一概而論，且這種理論將以往理論中的“抗震”優化為“減災”，強調對建筑物進行適度吸收地震能量，將人類的生命安全放于首要位置。提出了針對于不同級別地震，建筑物應該具有不同的抗震表現，并始終應當保證人類的生命安全。世界主要國家的現行抗震理論均吸收了其抗震思想，包括我國的抗震三原則。

1.2中國抗震理論發展情況

我國從上世紀八九十開始進行抗震規范設計，其抗震理念的發展可以劃分為兩個基本階段，與全球的抗震理論發展基本保持一致。第一階段也是基本參照反應譜理論和反應譜方法作為抗震設計的計算方法。第二個階段是結合動力理論階段，同時吸收了部分彈塑性時程分析方法進行計算，與國際主流理念和方法基本上保持一致。

2010年開始，我國在結合國內外有益經驗的基礎之上，正式出臺了我國的抗震設計規范，主要有《建筑抗震設計規范》以及《高層建筑混凝土結構技術規程》，實現了抗震規范的明確化和具體化，并沿用至今。

根據我國抗震規范的要求，我國抗震設計規范將抗震目標分為基本目標和性能化目標?；灸繕艘簿褪嵌炷茉數拇笳鸩坏?、中震可修、小震不壞。性能化目標是在滿足基本目標的基礎之上，根據場地、結構、高度等具體工程、經濟情況，提出的更為具體、靈活、可實現的目標，適用于有專門規定或者重大復雜的項目。

2、我國土木工程結構抗震設計存在的問題

2.1抗震規范體系不完善

一方面，我國雖然已經規定了較為完整的抗震規范體系，但在具體的實施過程中，和各地實際存在一定的脫節情況。特別是我國的抗震體系整體上是對國外先進經驗的學習，在本土化方面出現了一系列不足。由于地震不像天氣預報可以進行精確預測，因此在規范制定方面，缺乏科學的規范指引，導致建筑抗震設計中經常出現一些脫離實際的現象。整體上，我國抗震安全系數還不高，抗震設計的抗震能力較差，抗震級別較低，還比不上發達國家的標準。許多高層、重要建筑普遍請國外的建筑和結構團隊進行抗震設計。

另一方面，我國針對不同級別的高層建筑做出了專門的抗震規定。但目前，各開發商在城市土地開發中，過于追求單位面積的土地產出，想盡辦法提高建筑高度，以提高經濟效益。城市規劃部門也在規劃城市地塊控高時，很少考慮抗震因素，往往以城市景觀和經濟效益為主，很少將重大突發應急事故納入考慮因素，導致一些高層建筑在地震時成為重災區，極大的加重了生命財產損失。

同時，在建筑設計中，我國的建筑規范只對荷載等進行了規定，對于建筑材料耐久性缺乏相關規定，導致時間因素、環境因素等未能納入抗震規范，為抗震設計的耐久性留下了較大的安全隱患?？拐鹪O計遠非一勞永逸，需要不斷根據時間因素考慮建筑形變進行適時調整，但目前國內規范尚缺乏相關規定。

2.2設計水平不足

隨著當今建筑技術的發展，也隨著大城市土地資源的日益緊張，當今的建筑技術標新立異，越建越高，建筑形狀也越來越個性化，非幾何化，給抗震設計帶來了較大困難。過于個性化的建筑給抗震設計帶來了巨大的困難。而當今我國設計院的抗震安全設計水平難以跟上越來越復雜的建筑造型，帶來巨大的安全隱患。

一方面我國抗震安全規范標準缺乏彈性。我國是一個幅員遼闊、建筑豐富度十分巨大的國家，但我國全國范圍內參照同樣的抗震規范，按照“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則進行建筑抗震設計，在具體的建筑設計過程中，設計師普遍會把抗震設計參數化，通過固定的參數對建筑結構進行，每一種類型的地震會量化為規范中統一的統計學參數，導致設計中無法很好的反映抗震的需求。

另一方面是整體的設計水平不高，過于保守的套標準和規范，造成了大量的結構冗余和浪費。如，例如，在我國現階段的地震研究中，會對地震的降級系數進行統一規定，這樣就會給很小的地震賦予固定的統計意義。然而在實際的情況中，建筑結構中變形的檢驗以及橫截面的具體承載能力是要根據實際的情況來進行設計的。在建筑設計中如果只是依靠統一的計算設計，沒有深入的考慮到建筑結構的層次以及順序，很難使建筑抗震結構發揮出重要的意義。同時對于不規則建筑、幾何造型復雜的建筑，設計院普遍缺乏抗震設計能力，要么帶來過多的結構冗余，要么影響結構安全，設計水平和思路均需要提升。

2.3建筑場地與材料選擇不合理

一方面，對建筑安全來說，施工場地的選擇是影響建筑在地震時安全的重要因素，以下幾種土質會對建筑安全產生嚴重影響：軟土、液化土、河流沿岸、回填土等。這些土質由于存在軟弱粘性土壤，軟硬圖層分布不均，往往會使建筑產生崩塌或下陷，發生地震時建筑物結構會瞬間被破壞。特別是現在城市用地條件苛刻，難以對高層、超高層建筑的土層進行選擇，在抗震條件較差的圖層上建造高層甚至超高層建筑，帶來較大的安全風險。

另一方面，我國是地震多發國家，但是在建筑材料的選擇和發達國家相比，在理念上依然存在較大差距。鋼結構有較高的延展性，能通過形變有效吸收地震的能量，因此在地震多發地區的建筑應當優先采用鋼結構，但受限于傳統建筑歷年和建造成本，是我國很多地震區域的高層建筑仍然以混凝土結構為主。另外，對于建筑高度高于150m的高層，應當有三層支撐框架做支撐。而且隨著科技的進步及鋼鐵產能的提高，新型鋼質混凝土結構一般質量較輕，且能夠在減少鋼架結構尺寸的基礎上，提高高層建筑的防震能力。

3、提高土木工程結構抗震設計的對策

3.1選擇合理的建筑結構體系

建筑結構體系對于整個建筑結構至關重要，結構體系選擇的科學性和合理性是抗震設計的先決因素，應當嚴格進行平面、縱向和整體設計。

一是做好抗震平面結構設計。建筑的平面結構設計是建筑設計中一個很重點的設計部分，在設計中具有很高的優先級。一方面要盡量保證建筑結構的對稱性，使得建筑的結構質量在整體建筑中均勻布置。另一方面要注重保證建筑結構的均勻性，對于剛度較大的剪力墻和電梯井等結構應當盡量布置在建筑的中心位置，將抗震墻與抗震結構進行相互結合，減小扭矩對建筑的影響。

二是做好抗震縱向結構設計?？v向結構設計主要關注高度、剛度和結構質量分布。一方面，建筑應當確保剛度與建筑物沿設計的系數接近，避免剛度中斷或突變，使各個樓層出現剛度不均，避免建筑發生扭轉。另一方面，確保剪力墻布局均勻，確保剪力墻垂直方向的貫通性，中間不可以中斷，確保貫通到建筑底部。

三是做好建筑整體設計。一方面，要建筑的平面構型中盡可能選擇簡潔和規則的形狀，如矩形或圓形，此類形狀可以極大的提高結構的整體抗震性，在整體設計師，還要盡量避免出現凹凸的構型。另一方面，要盡量讓建筑的剛心和質心保持在同一位置，合理布置結構構件和非結構構件，使建筑質量盡可能按照合理規則布置。

例如，南昌的綠地紫峰大廈高為268米，該大廈是核心筒結構框架，對該大廈進行抗震設計時，建筑東西里面有內凹設計，它的內凹部分的荷載是由結構柱支撐在跨懸臂轉換墻上。該建筑進行抗震設計時就充分的考慮到建筑的功能需求，同時進行該建筑的設計時還進奧行了反譜計算。

3.2重視建筑場地的選擇

建筑物所處位置與地質條件是影響建筑抗震安全性能的重要因素，特別是在地震多發地帶，要格外注重合理選擇建筑場地的選擇。

一是要盡量避免對抗震設計造成不良影響的區域，如存在地震帶、地殼運動對地面造成過破壞的地段和存在滑坡隱患、地裂隱患的地段。二是要避免選擇土質軟弱、土地液化和地質元素分布較不均勻的地段，在粘性土質區域和土層分布很不均勻的區域也要盡量避免。三是采取專門措施，增強不良場地上建筑的抗震安全性。如果較差的地質條件不可避免，一定要對建筑進行專門的抗震安全設計，并針對土層特點進行針對性設計。如地段存在滑坡隱患，那么應當進行專門設計保持地基穩定;如土層分布不均勻，應當對地基進行專門的樁基施工手段，增強建筑物上部結構的安全性和抗震性。

3.3設置多道抗震防線

抗震防線能夠有效提升建筑的抗震性能，減輕地震對建筑的破壞，一般來說，建筑物應當配備不止一條的抗震防線，特別是應當設置備用防線，確保在建筑在遭受地震影響時不至于倒塌，減少人民的生命損失。在一個良好、科學的抗震結構體系中，應當確保其有不同硬度的結構抗震破壞延展體系，并由結構延展性較好的構建進行連接，如框架-抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個系統組成，雙肢或多肢抗震墻體系由若干個單肢墻分系統組成。第一道防線一般應優先選擇不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇的抗震墻、實墻筒體之類的構件作為第一道防線的抗側力構件。要正確處理結構構件的強弱關系，不可以一味的以高強度構建硬性對抗地震影響，合理配置主要耗能構件（比如連梁、斜撐等），在其屈服后，其它主要剛度構件仍處于彈性變形階段，有充分的變形吸收地震能量，保證主要構建不發生塑性形變。

對于高層、重要建筑中，第一道防線一般應優先選擇不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇軸壓比值較小的抗震墻、實墻筒體之類的構件作為第一道防線的抗側力構件。同時對于高層、重要建筑而言，結構體系的冗余度設置尤其重要，要確保大量的地震能量能夠在冗余度的結構構件上消耗掉，保證主體結構的安全性，且在結構收到損壞后仍易于修復。同時應當設置第二道、第三道抗震防線，在第一道抗震防線被破壞時仍然有多余的冗余度保證建筑不至于徹底損壞?？拐鸾Y構體系內應當根據構建的剛度分布，進行科學的冗余度設計，根據結構構建的剛度分布規則設置屈服區，較好的吸收地震能量，滿足抗震的“三不”要求。對于建筑高度較高，或在地震多發地域建造時，可以采用剪力墻等多段強框架結構，作為抗震的第一條防線。所以，為了保證墻體的抗震能力足以防止地震的損害，有效減少地震造成的墻體裂痕或者倒塌，就應當科學建立防震結構，多層防線形成合力。而且在地震以后，每一層的剪力墻所承受的負載力應當是設計預期最大剪力墻的兩倍，或者要超過地震總剪力值的1/5。

3.4優化抗震規范體系

我國的抗震設計規范依然有較大的提升改進空間，在科學性、靈活性方面應當充分吸納近些年的抗震經驗，在全國范圍內做到更有效的指導。一是應當加強靈活性，指導地方出臺符合各自實際的抗震規范，在滿足地震設防烈度的同時，鼓勵各地因地制宜，出臺更有靈活性更符合地方特色的抗震規范，在抗震規范中充分吸納近些年各地的抗震經驗和全世界范圍內的優秀理論研究成果，避免僅以固定的系數進行抗震設計。二是加強對超高層建筑、不規則建筑等新類型建筑的抗震規范研究，目前各類新型建筑層出不窮，其抗震規范缺乏理論研究與支持，國內建筑設計院難以勝任，應當將復雜、不規則建筑的建筑抗震規范盡快納入研究范圍，并在國內推廣。

結語：

我國作為環太平洋地震帶上的國家，歷史上發生過多次重大地震災害，給我國人民帶來了深重損失，抗震設計對于建筑來說至關重要。本文對國內抗震情況的理論發展情況進行介紹，并整理了國內抗震設計方面存在的一系列問題，針對這些問題，應當從結構設計、場地選擇、設置抗震防線，優化規范體系等方面進行優化，以提升國內的抗震設計水平，減輕地震造成的損失。

參考文獻：

[1]徐云.建筑結構設計中抗震設計探討[J].中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術，2017（1）：00329-00329.

[2]劉振濤.關于高層建筑抗震設計問題的探討[J].建筑工程技術與設計，2017.

[3]包人逸，張曉瑩.建筑設計在建筑抗震設計中的作用探析[J].魅力中國，2017，000（051）：236.

[4]劉振濤.關于高層建筑抗震設計問題的探討[J]. 建筑工程技術與設計， 2017.