建筑结构抗震设计的研究

建筑结构抗震设计的研究

发表时间：2018-09-18T16:24:34.330Z 来源：《基层建设》2018年第23期作者：张智民

[导读] 摘要：近年来我国地震频发，强烈的地震造成人身伤亡和财产的巨大损伤，所以建筑结构的抗震设计也越来越受人们所关注。

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摘要：近年来我国地震频发，强烈的地震造成人身伤亡和财产的巨大损伤，所以建筑结构的抗震设计也越来越受人们所关注。目前，建筑结构抗震设计研究已成为土木工程行业中的研究前沿，随着近年来新型建筑材料不断涌现，在建筑结构设计方法与应用上出现了很多新思路，新方法，并在传统的抗震设计基础上引入了一些新理念，设计了很多刚度大、耗能能力强的结构体系和结构构件。本文就当前一些最新的研究作一些简述。

关键词：建筑结构；新型建筑材料；抗震设计；刚度；耗能

1 引言

建筑结构在地震作用下会产生振动，过大的结构振动现象不仅会影响到结构物的正常使用，还会造成主体结构的破坏、甚至倒塌。有时虽然主体结构未破坏，但由于建筑饰面、装修或非结构配件、室内昂贵仪器、设备的破坏而导致严重的损失。为了保护人类生命财产的安全，减轻地震灾害，全国地震工程科技人员致力于提高建筑抗震能力的研究，已经形成一套较为完整的抗震设计理论。这种抗震设计理论建立在传统抵御地震灾害思想的基础上，主要是通过增加结构本身的强度、刚度或延性的办法，使所设计的建筑达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目的。传统的抗震理论虽然在很多情况下非常有效，但仍然存在较大的局限性[1]。

2 结构抗震设计应注意的问题

2.1选择有利的抗震场地

选择对建筑抗震有利的场地。首先人们常常看到在具有不同工程地质条件的场地上，建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的。地震造成建筑物的破坏，除地震动直接引起的结构破坏外，场地条件也是一个重要的原因。因此，应选择对建筑抗震有利的地段，应避开对抗震不利地段，如软弱场地土，易液化土，条件突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质陡坡、采空区、河岸和边坡边缘，场地土在平面分布上的成因、岩性、状态明显不均匀等地段；当无法避开时，应采取适当的抗震加强措施，应根据抗震设防类别、地基液化等级，分别采取加强地基和上部结构整体性和刚度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施。

2.2 抗震的建筑平面和立面布置的选择

（1）建筑形状力求简单规则，平立面不出现凹角的结构。体型简单和规则的建筑，受力性能明确，设计时容易分析结构在地震作用下的实际反应及其内力分析，且结构细部的构造也易于处理。所以这类结构遭遇地震后其震害相对都较轻。反之，建筑体型不规则，平面上曲出凹进，立面上高低错落。易于形成刚度和强度上的突变，引起应力集中或变形集中，也容易形成薄弱环节，往往造成比较严重的危害。

（2）建筑的平、立面刚度和质量分布力求对称。因为不对称结构由于地震作用引起的扭转作用十分明显，在设计时应采取加强措施；周边构件的强度和刚度不对称，布置时应在总体上减小刚度偏心，计算时要充分估计薄弱侧的较大位移及构件的内力和变形。

（3）建筑的质量和刚度变化要均匀。建筑的质量和刚度沿竖向分布往往是不均匀的。

2.3 合理的抗震结构体系选择

合理的抗震结构体系，首先应根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、材料和施工等因素，结合技术、经济条件综合考虑抗震结构体系。其次，还应该设计多道抗震防线。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。一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同丁作。一般情况下，应优先选择不负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选用轴压比不太大、延性较好的抗震墙等构件，作为第一道抗震防线的抗侧力构件。框架—抗震墙结构体系中的抗震墙、处于第一道防线，当抗震墙在一定强度的地震作用下遭受可允许的损坏，刚度降低而部分退出工作并吸收相当的地震能量后，框架部分起到第二道防线的作用。这种体系的设计既考虑到抗震墙承受大部分的地震力。对于强栓弱梁型的延性框架。另外，该抗震体系还要具备必要的强度，良好的变形能力和耗能能力以及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。最后，要选择合适的材料，减轻结构自重。

2.4 合理的建筑结构参数设计

结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形，因此，地震作用下，结构的延性与结构的强度具有同等重要的意义。为了使钢筋混凝土结构在地震引起的动力反应过程中表现出必要的延性，就必须使塑性变形更多地集中在比较容易保证良好延性性能或者具有一定延性能力的构件上参数设计是进行地震作用和房屋各构件的地震响应计算，包括各墙柱梁板承载力和变形计算。开始计算前，应根据高层结构的实际工作状况，建立正确的计算模型，根据概念设计做必要的简化计算与处理。

3结构构件的抗震优化设计

在结构延性设计中应保证结构关键构件的延性优于整个结构以保证结构的整体延性性能的要求，因此，在抗震设计中需要对一些延性要求高的部位的结构构件进行优化设计，以保证其良好的延性性能。以下是几种常用的构件的优化设计方案：

3.1框架梁塑性铰外移

传统钢筋混凝土框架梁的塑性铰出现在始于柱面的梁端。将塑性铰从柱面移开一定距离，可以避免梁端钢筋屈服，从而不仅可以避免钢筋屈服后向节点核心区发展，引起粘结破坏，还能改善核心区的性能。如图1所示

3.2 高强混凝土柱

高强混凝士柱的主要优点有：①、抗压强度高。柱截面小，增加使肘面积，梁截面小，降低受弯构件高度，从而降低层高；减轻结构臼重，减小基础负担；②、弹性模量人，提高结构刚度，减小轴向变形；③、密实性好，抗冻抗渗性能好，耐久性优丁普通强度混凝土。高强混凝也有其缺点：单轴受压达到峰值应力后，强度迅速下降，塑性变形能力比普通强度混凝七差，为脆性材料。

目前，抗震房屋结构框架柱的混凝七强度一般不超过C60。克服高强混凝士脆的缺点，成为推，“高镘混凝土的关键。近年来，工程中采取的方法就是将高强混凝土与钢组合或者叠合，成为组合柱或者叠合柱，包括钢管混凝土柱、钢管混凝土叠合柱和钢骨混凝土柱。

3.3 钢管高强混凝土柱

将高强混凝土填充在圆形钢管内，成为钢管高强混凝土柱，是充分发挥高强混凝土的优势、克服其不足的最好方法。由于管内填充高强混凝七比填充普通强度混凝土对于减小高层建筑柱的截面尺寸、增大结构的刚度更有效，所以促进了钢管高强混凝土柱的发展和应用。1995年建成的广州好世界广场大厦（33层，116．3m高），率先在管内填充C60高强混凝土；现在钢管高强混凝土柱已逐渐得到工程界的认可。除了强度高、弹性模量大、塑性变形能力大，钢管高强混凝土柱还有许多优点：①、管内混凝土可防止钢管向内屈曲，增强了钢管壁的稳定性；②、钢管可以作为模板，省去了支模拆模的工料和费用；③、钢管混凝土柱采用薄钢板，避免了厚钢板带来的一系列问题；④、钢管兼有纵筋和箍筋的作用，无需绑扎钢筋；⑤、钢管在工厂预制，现场安装就位，加快了施工进度；⑥、管内浇筑混凝土和管外楼盖施工可以同时进行，可以根据需要采用逆作法，缩短工期。

4结语

地震是一种目前难以准确预测的自然灾害，为避免它给人类带来的灾难，作为工程技术设计人员在建筑结构的研究和工程设计中，应从整体宏观的观点出发，综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几个方面的内容，从而创造出更加安全、实用、经济美观的建筑。从长远观点看，如何从我国建筑抗震设计现状及国际抗震设计发展的趋势出发，探求一种新型的结构与材料的应用，将成为地震区建筑发展的新方向[4]。

结构抗震设计研究是现代结构设计研究的一个重要组成部分，结构抗震性能的好坏关乎人民生命财产的安全，具有重要现实意义。建筑结构抗震需要结构整体和各构件协同工作，使结构既具有良好的整体性，同时也具有优异的耗能性能及延性。随着新型结构材料的不断出现，目前在高科技领域中所用到的仿生学，生态学，智能化防灾设计等高技术将用于建筑结构设计领域，不但使得建筑结构具有良好的抵御各种外界环境的影响，同时获得所需要的经济效益，环境效益和理想的使用功能。

参考文献：

[1]姚谦峰．工程结构减震控制的研究与发展．第二届全国“振动利用工程”学术会议论文集（2003年）

[2]王亚勇，李爱群，崔杰．现代地震工程进展[C]．南京：东南大学出版社，2001．