建筑结构设计中抗震设计浅析
关键词：建筑结构,抗震设计,设防目标,基本措施
前 言
近年来，一些国家和地区相继发生强烈地震，造成巨大损失。而我国又是一个地震多发的国家，要抵御、减轻地震灾害，必须对建筑结构进行必要的抗震设计。在结合建筑构造中的抗震设防理念，建筑结构的地震反应，地震反应特性、地震破坏模式等因素综合考虑的同时，为了努力减轻地震造成的破坏，减轻经济损失，我国政府和相关部委陆续颁布了一系列防震减灾的法律、法规条文，并强制规定设防强度为6度以上地区的建筑必须进行抗震设计。
一、建筑结构抗震设防的目标
抗震设防是指对建筑物进行抗震设计，并采取一定的抗震构造措施，以达到结构抗震的效果和目的。我国通常采用“三水准抗震设防”和“两阶段抗震设计”的设计方法。下面就对这两种设计方法进行阐述和分析。
1.三水准抗震设防
抗震设防的依据是抗震设防烈度，抗震设防烈度按不同的频率和强度可以分三个地震烈度水准。采用第三水准烈度的地震动参数，计算出结构的弹塑性层间位移角，以满足第三水准大震不倒的要求。目前，我国抗震设防为“三水准”目标通常将其概括为：“小震不坏、中震可修、大震不倒”。其中，“小震不坏”是指当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可使用，建筑处于正常使用状态，从结构地震分析角度，可以视为弹性体系。第一水准对应抗震正常使用极限状态，就是在该状态下结构的功能和使用应不受影响，这意味着结构和非结构都不会发生需要修复的损伤。“中震可修”是指当遭受到相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，结构在地震影响时进入非弹性工作阶段。第二水准对应结构损伤控制极限状态，在该结构状态下结构中受力较充分的部位已经进入屈服后变形状态。“大震不倒”是指当遭受高于本地区抗震设防强度的罕遇地震时，建筑物不致倒塌或发生危机生命安全的严重破坏，此阶段结构有较大的非弹性变形，但人员可以逃离。第三水准对应人在地震中能够幸存的极限状态。在这一极限状态下虽然允许结构出现不可修复的损伤，但要求保持较好的整体性而不倒塌。
2.两阶段抗震设计
为实现上述三个烈度水准的抗震设防要求，《抗震规范》提出了两阶段抗震设计方法。第一阶段设计是多遇地震下的承载力验算和弹性变形计算。除了在确定结构方案和进行结构布置时考虑抗震要求外，还应按照小震作用进行抗震计算和保证结构延性的抗震构造设计。第一阶段设计的第一步是，在方案布置符合抗震原则的前提下，采用第一水准烈度的地震动参数，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，然后与其他符合效应按一定的组合系数进行组合，对结构构件截面进行承载力验算，从而满足第一水准的强度要求。第二步，采用同一地震参数计算出结构的弹性层间位移角，使其不超过规定的限值，另外，采用相应的抗震措施，保证结构具有相应的延性变形能力和塑性耗能能力，从而满足第二水准的变形要求。第二阶段是罕遇地震下的弹塑性变形验算，主要针对甲级建筑和特别不规则的结构用大震作用进行结构易损部位(薄弱层)的塑性变形验算。第二阶段的设计主要表现在反应谱理论的变化，反应谱理论是根据弹性结构的地震反应得到的，因此一般也只能计算结构处在弹性状态下的最大地震反应。当结构遇到强烈地震而进入强塑性阶段时，反应谱将不能给出各构件进入强塑性状态的内力、变形，无法找出结构的薄弱环节。利用延性系数将弹性反应谱变为塑性反应谱，从而使抗震设计理论进入了非线性反应阶段。
二、做好建筑结构抗震设计的基本措施
由上述可见，抗震规范设计的方法已经具有了基本的雏形，但在实现这一抗震设防目标时，仍有一些问题需要认真研究。因此做好建筑结构中抗震设计的基本措施显得至关重要，它是保证抗震设计实现“三水准”抗震设防目标的基础。
建筑结构应立足于工程抗震基本理论，灵活运用抗震设计准则，从根本上提高结构的抗震能力。根据当前抗震理论下形成的基本原则和要求，下面就对做好建筑结构中抗震设计的基本措施进行探讨分析。
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。在不同工程地质条件的场地上，地震对建筑物的破坏程度是截然不同的。因此，选择工程场址时，设计者必须结合工程的实际需要，尽可能避开对建筑抗震不利的地段，选择对建筑抗震有利的地段，当没有办法避开时，适当的抗震加强措施应被采用，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。
2.优化平立面布置
建筑布置的平立面应规则，体型要求简单。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。建筑中的独立单元及整个建筑应力求质量刚度对称，使其刚心与质心偏心很小甚至完全重合。此外，建筑沿竖向分布的刚度和质量还须均匀，只有简单、规则、对称结构容易准确计算其地震反应。
3.选择合理的结构形式
选择合理的抗震结构体系，首先，应有多道抗震防线，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;其次，应具备良好的耗能、变形能力和必要的强度。一个没有足够延性，只有较高的抗侧力强度的抗震结构体系，在地震时很容易遭到破坏;再次，结构刚度和强度分布须合理。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。
4.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。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，以避免地震长时间持续作用引起的共振效应。
5.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。
结 语
总的来讲，结构工程师在建筑结构的抗震设计中，只有注重对结构抗震设计的方法总结和不断完善，不断提高建筑抗震等级，真正理解设计规范，严谨认真，才能设计出经济安全的建筑，才能确保人民生命财产安全。也就是说，在建筑结构抗震体系中，只要使体系布局合理，计算正确，同时采取有效的加强措施，便可获得结构的最大抗震能力，达到防震减灾的目的。
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