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浅析建筑结构抗震概念设计

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：刘建平

[导读] 摘要：在建筑结构设计过程中，处理复杂结构设计时，需要明确什么是结构设计最佳选择，采用不合理的结构方案或结构布置可能会带来什么样的后果，需要采取哪些补救或加强措施，并对这些措施的合理性、有效性作出客观的评价，以保证结构性能目标的实现，确保房屋安全，这就需要设计人员在建筑结构设计中，要积极、合理的运用概念设计方法，有效地优化建筑结构设计方案，提高结构设计水平。

        深圳市鑫中建建筑设计顾问有限公司 518040
        摘要：在建筑结构设计过程中，处理复杂结构设计时，需要明确什么是结构设计最佳选择，采用不合理的结构方案或结构布置可能会带来什么样的后果，需要采取哪些补救或加强措施，并对这些措施的合理性、有效性作出客观的评价，以保证结构性能目标的实现，确保房屋安全，这就需要设计人员在建筑结构设计中，要积极、合理的运用概念设计方法，有效地优化建筑结构设计方案，提高结构设计水平。
        关键词：结构概念设计；抗震措施；结构体系
        引言
        抗震概念设计应依托抗震设计的基本理论、清晰的结构概念，重视对地震灾害的调查及地震经验的总结，注意发现并改进抗震设计方法，注重抗震设计实际效果。这就要求我们学习和工作实践中不断的去归纳总结经验，建立起正确的概念设计方法，运用正确的思考和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能，并依据对结构的承载能力、变形能力、耗能能力的正确把握，合理确定结构的总体布置，完善结构细部构造。
        1.结构抗震设计的依据
        建筑结构抗震设计包含了两个设计范畴，即概念设计和参数设计。建筑结构抗震概念设计主要针对地震的不确定性和有限元分析的近似性，从概念上，特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策；建筑结构的参数设计主要是采用二阶段的抗震设计方法(地震作用计算、构件强度验算和结构变形验算等)实现三水准的抗震设防要求。两者是相辅相成的。作为一个正确的抗震设计，必须重视抗震概念设计，灵活而又合理地运用抗震设计思想，才能不致陷入盲目的计算工作。
        由于实际地震是不可预知性，实际地震作用大小在现有科学水平范围内较难以准确预估的，同一建筑场地的地面运动的不确定性，不同性质的地面运动对建筑的破坏作用也是不完全相同。因此，建筑抗震设计规范提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设计指导思想。也就是说所有结构的抗震设计，即地震作用计算、构件承载力抗震验算都要满足小震不坏的抗震目标，对于大多数结构，需要通过概念设计来满足中震可修和大震不倒的抗震目标。尤其是发生强烈地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的的不规则结构和其他由特殊要求的建筑，更需要抗震概念设计来进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采用相应的抗震构造措施。以实现第二、三水准的抗震设防要求。
        2.结构概念设计的主要内容
        2.1对结构体系要求
        抗震结构体系要求受力明确，由合理的传力途径，且传力路线不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现。这就要求我们在结构方案初步阶段，要选择用合理的建筑体型和结构形体，使风荷载效应最小，地震作用效应最小。优先选择采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、具有多道防线的结构体系，比如采用设置耗能连梁的剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架筒体结构等，避免采用抗震性能较低的板柱剪力墙结构、框架结构。应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。应采用具有足够的结构承载力、刚度、延性等结构体系。
        2.2结构布置要求
        应采用概念清晰、传力途径明确的结构布置，避免造成结构扭转、平面和立面的里出外进，竖向构件间断等其他不规则。这样就要求结构平面布置宜简单规则、竖向构件沿周边均匀对称布置，剪力墙布置间距不宜太大，尽量采用带翼墙的剪力墙墙肢。结构侧向刚度沿竖向宜均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。刚度如太小，则地震时的侧移大，导致非结构构件和结构构件的破坏加重；刚度如太大，则地震作用将增加。

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控制结构整体变形为弯曲变形，尽量避免扭转变形。采用高强轻质的材料，充分发挥构件材料性能。因为结构在保持一定强度条件下，如具有稳定的塑性变形能力，则在地震中可消耗输入于结构的地震能量，减少地震作用，可以防止结构发生严重脆性破坏或倒塌。要保证结构的整体性，整体性较好的结构，可以防止结构构件和非结构构件在地震时被震散掉落。同时也是结构发挥空间作用的基本条件，有利于结构协同工作。当建筑物平、立面布置很复杂时，也可以考虑用防震缝将结构分离成若干个独立的单体，但要注意的是，设置防震缝的目的是把复杂平、立面的建筑，分割成简单体型的建筑物。由于设缝后也改变了结构的自振周期（一般情况下周期变长），反而有可能和地基土的固有周期接近；而且分隔后的各单体的抗震构件要安排得当，刚度均匀对称，否则也会增加震害。由此可见，防震缝的设置与否应根据地震反应大小和结构布置以及地基土的特性，从概念上加以决策，必要时还要作地震反应分析的比较。其次，如决定设置防震缝，则结构要自上而下（基础以上）断开，缝两侧设双柱或双墙，并有足够的缝宽，注意不能被建筑垃圾堵塞而不起作用，也不能因硬质封盖材料卡缝而失效。
        2.3抗震设计的关建部位
        注意对结构体系的关建部位、结构构件的关建部位的把握，实现四强四弱的设计理念，即墙柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强压弱拉。一个结构体系只要构件间连接不破坏，整个结构就能始终保持整体性，充分发挥其空间结构体系的抗震作用，因此各构件之间连接必须是安全可靠。如构件节点破坏，不应先于其连接的构件，预埋件的锚固破坏，不应先于连接件、装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性、预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区以外锚固。框架构件主要靠混凝土受压，钢筋受拉来抵抗外荷载，但钢筋和混凝土的力学性能相差很大，混凝土从受压到压碎，变形量很小。相反，钢筋受拉从屈服到拉断，变形过程很长，延性良好，设计中应使受拉区钢筋的屈服先于受压区的混凝土的破坏，以符合强压弱拉。可以通过控制轴压比，限制受拉筋的配筋率等措施实现预期目标。
        2.4如何做好概念设计
        概念设计使一种设计思路，使定性的设计，不经数值计算，尤其是在一些难以作出精确理性分析。依据整体结构体系和分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、工程经验所获得的基本设计原则和设计思想。而结构设计则是概念设计的逆向过程，其设计是依据概念设计的总体要求，利用力学、数学原理由定量（内力、配筋、强度、稳定、变形）过度到定量规范规定一个过程。在实际设计过程中，应注重软件的选择，根据不同工程情况，选择使用不同的设计软件。对所计算的工程特点，有针对性的修改计算参数。比如建筑隔墙的刚度，在计算中无法真实反映，导致建筑结构的实际存在的周期要大于软件计算的周期。周期大，地震作用就偏小。就有可能不满足最大层间位移角限值，或最小剪重比限值等。因此，必须根据实际情况，进行周期折减、或建议建筑方案采用轻质墙板、幕墙等措施。结构工程师还必须具有对结构分析软件计算结果的合理性、可靠的判断能力，如不同工程结构的自振周期范围，振型曲线、位移特征曲线的判断，注意轴压比、刚度比、剪重比、位移比、周期比、刚重比限值等要求。
        结语
        发展先进的计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，是建筑结构更安全、适用、可靠、经济是未来的发展方向。为此，打破建筑结构设计中墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。推广概念设计思想是一种有效办法，有着深远意义。
        参考文献
        [1]建筑抗震设计规范(GB50011-2016版).
        [2]建筑抗震设防分类标准(GB50223-2008).
        [3]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ-2010）.
        [4]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析（第二版）.