摘要：若建筑结构的抗震性能不佳，一旦发生地震，将会造成重大的人员伤亡和财产损失，因此，提高建筑结构的抗震性能的意义重大。本文首先介绍了场地的选择原则和方法，强调应尽量选择有利的抗震场地，对不利场地应采取适当措施进行处理加固；接着具体介绍了从提高建筑结构的规则性、增强建筑物的刚度及整体性、保证结构的延性能力等三个方面的设计来提高建筑结构的抗震性能。
关键词：建筑结构，抗震性能，刚度，延性
我国是一个地震多发的国家，地震对人民的生命财产安全构成严重威胁。２００８年５月四川汶川发生特大地震，造成重大的人员伤亡和财产损失，给汶川及周边地区带来毁灭性的打击。在地震中，建筑物的瞬间倒塌是造成人员伤亡的最主要原因。尤其是一些学校，地震一发生便倒塌，造成了大量学生死亡，甚至后来许多学生家长上街游行，认为政府和有关建筑商对建筑偷工减料，没有保证建筑物的质量，这是造成学生大量死亡的原因之一。可见，提高建筑结构的抗震性能，对于延缓逃离时间，减少地震人员伤亡和财产损失有着重要意义。
地震造成严重损害原因有三种：一是地震引起建筑地基的震陷、砂土液化，从而使地基失效；二是地震引起整个地面严重变形而使建筑物重心转移而倒塌；三是结构物由于地面运动剧烈震动，因变形过大、连接接头的破坏、结构强度不足造成构件失稳甚至整体倾覆。因此，建筑结构设计人员必须分析研究建筑抗震问题，从多方面提高建筑结构的抗震性能，防止和减少地震给建筑造成的危害。
一、选择有利的抗震场地
在相同的施工条件下，若施工场地的工程地质条件不同，建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的。因此，要加强建筑结构的抗震性能，首先要选好建筑场地，尽量避开对抗震不利的场地进行建设，以减轻地震灾害。这样就有必要按照场地、地基的特征以及其对建筑物所受地震破坏作用的强弱来进行分类，以便根据不同场地特点采取抗震措施。通常是根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度来确定场地类别的。
１． 场地类别的确定
建筑的场地类别确定问题一直是工程界所关注的问题。建筑场地类别的划分，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度来进行。
（１）土层剪切波速的测量
应按以下要求来土层剪切波速进行测量：
①在场地初步勘察阶段，测量同一地质单元上的大面积的土层剪切波速的钻孔数量应为控制性钻孔数量的１／３～１／５，不方便测量的地区可适量减少，但总数不应少于３个。
②在场地详细勘察阶段，测量单幢建筑的土层剪切波速的钻孔数量不宜少于２个；对小区中的密集建筑群，测量的钻孔数量可适量减少，但要保证每幢建筑下至少有１个。
（２）建筑场地覆盖层厚度的确定
应按以下要求来确定建筑场地覆盖层厚度：
①通常情况下，场地覆盖层厚度应按剪切波速大于５００ｍ／ｓ的土层顶面至地面的距离来确定。
②当地面５ｍ以下土层的剪切波速大于其相邻上层的２．５倍，且其下相邻土层的剪切波速均不小于４００ｍ／ｓ时，其覆盖层厚度可按地面至该土层顶面的距离确定。
③可将土层中的火山岩硬夹层视为刚体，应从覆盖土层中扣除其厚度。
（3）建筑的场地类别
根据表１中的土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度来划分建筑的场地类别，具体可分为以下四类。
二、从结构设计方面加强建筑物的抗震性能
做好场地选择工作之后，在建筑结构的设计方面提高整体抗震性能，具体可以从设计方面提高结构的整体性、规则性、延展性以及整体刚度。并严格执行下图的设计流程，在做好初步设计之后，初步估算该设计方案下的结构及构件的能量分布和变形情况，并作进一步的修改完善，经过精确计算后，最终确定设计方案，并作必要的补充设计。
表１ 各类建筑场地的覆盖层厚度（ｍ）
２． 场地选择原则
（１）应选择对建筑抗震有利的地段，如宽阔平坦而且避开斜坡和崖地，以及坚实均匀的场地。坚实的砂土层，微风化、中等风化的基岩和不含水的粘土层都属于良好的场地。尽量避开不利于抗震的地段，不利地段就是指软弱土、液化土，高耸孤立的山丘、条状突出的山嘴、非岩质陡坡、河岸和边坡边缘等状态明显不均匀地段。
（２）当无法避开上述的不利地段时，应根据抗震设防类别、地基液化等级来采取适当的加强措施，可加强地基和上部结构整体性和刚度，采取措施部分消除或全部消除地基液化造成的沉陷。
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（３）当地基内存在软弱粘性土层、严重不均匀土层和新近填土时，应估计地震时造成的地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取对桩基、地基的加固措施以及加强基础和上部结构的处理，对于地震时可能导致滑移、崩塌、地陷或地裂的场地，应采取相应的地基稳定措施，并且此类地段不宜建造甲、乙、丙类建筑。
（４）基础设计时，不宜将同一结构单元设计在性质差别较大的地基土上，也不宜部分采用桩基而部分采用天然地基或部分采用端承桩而部分采用摩擦桩，对于高层建筑设置地下室时，应将整体都设置地下室，避免采用局部地下室。
下面具体从设计方面介绍几种提高建筑结构抗震性能的方法和途径。
１． 尽量提高建筑结构的规则性
多次地震经历表明，简单、规则、对称的建筑在地震时不易被破坏，其抗震能力较强；反之，如果房屋平面上凸出凹进，体形不规则，则在地震时容易产生震害。并且结构规则的建筑容易准确计算其地震反应，其确定地震作用的传递途径，并进行细部处理或采取其他抗震构造措施。因此，使建筑平立面布置简单、规则、对称、合理已成为抗震设计的基本原则之一，还应保证结构质量和刚度变化均匀，避免出现楼层错层。
（１）建筑形状力求简单规则。
尽量不让平立面出现凸角的结构，若凸角难以避免，应满足建筑平面突出部分的长度不大于该方向总长度的３０％，且不大于建筑的总宽度。除了局部突出的楼、电梯间之外，房屋立面局部收进尺寸不大于总尺寸的２５％。不宜使房屋平面的总长度过长，并且结构平面的长宽比也不宜过大。
（２）建筑结构尽量对称均匀。
结构对称均匀是抗震设计十分重要的原则，不对称结构会在地震作用下产生较强的扭转作用。若周边构件的强度和刚度不对称，则应在布置时从总体上减小刚度偏心，并在计算时充分估计构件的内力和变形及薄弱侧的位移。若建筑外形对称但抗侧力结构不对称，则可用抗震缝把结构分隔成若干简单、规则的单元。
（３）尽可能满足建筑竖向均匀性。
如果建筑的竖向布置不均匀，容易产生刚度和强度的突变，从而引起竖向的应力或变形集中，在地震中极易损坏甚至倒塌。通常在柔性底层建筑中，构件的应力和变形集中非常严重，在抗震设计时配置强韧性良好的构件以承受大的侧移。在设计抗震墙时，应考虑连续抗震墙的间距以及限制上下层的刚度。设置框架内的填充墙时，应使墙柱分开，或采用轻质墙以使框架柱连续。对于建筑中门、窗、管道等开洞，尽量开设整齐，以避免形成应力集中的薄弱环节。
２． 增强建筑物的刚度及整体性
建筑物是由纵、横向承重构件和楼盖组成的结构体系，它必须具有足够大的整体刚度和整体稳定性。增大结构构件的刚度，可以推迟地震时构件屈服，降低对构件延性的要求。还应注意抗侧力构件的布置以及结构质量的分布。刚性楼盖能保证各个抗侧力的构件按各自侧移刚度合理分配地震作用。采用现浇钢筋混凝土楼板及屋盖是较理想的抗震构件，其具有整体性好、水平刚度大的优点，可消除滑移、散落问题，它还可使平面上墙体对齐的要求适当放宽，可有效控制层间变形。较强的楼板及屋盖水平刚度还能有效地传递荷载，尤其是在上下墙体在平面上没对齐时，它们起到一定的传递水平力的作用，对楼板和屋盖现浇还能增加其对墙体的约束。可见，采现浇楼、屋盖能有效增强建筑结构空间刚度和整体稳定性，从而提高房屋的抗震性能。
３． 保证结构的延性能力。
要使建筑物在遭受大地震时具有较强的抗震能力，可通过使部分结构构件破坏来延性耗散地震能量，从而减少整体承受的地震能量。例如，可以通过合理调整构件之间承载力的相对大小，实现有效的屈服机制。结构延性能抵抗地震作用下的非弹性变形，其对于结构抗震性能的作用丝毫不亚于结构的强度。为使结构在地震中表现出必要的延性，就应尽量使塑性变形更多地集中在具有一定延性能力的构件上。可采取以下方法提高结构的延性：
（１）选择一个可接受的塑性变形机构，即通常所说的“强柱弱梁”。它是通过人为作用使柱的抗弯能力比梁强，使得在地震作用下，钢筋混凝土框架的梁端塑性铰出现较早，而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时，前者塑性转动较大，而后者塑性转动较小或根本不出现塑性铰。这样就能保证框架具有较大的塑性耗能能力。
（２）为避免在强烈地震作用下，结构在其延性未发挥出来之前就遭到剪切破坏，应人为增大各类构件的抗剪切能力，也就是通常说的强剪弱弯，即增大梁端、柱端以及节点处的组合剪力值，来避免构件发生剪切破坏。可直接将一跨梁两端截面的组合弯矩值乘以增大系数，再从平衡关系中求得梁端剪力。
（３）通过相应的抗震构造措施，保证可能出现塑性铰的部位具有足够的塑性转动能力和塑性耗能能力。我国的抗震措施中采用“梁柱塑性铰机构”耗能机构模式。增加箍筋能提高构件在发生剪切破坏时所达的延性。
四、结束语
总之，为尽可能地避免地震给人类带来的灾难和损失，我们工程技术设计人员应对建筑结构进行充分研究和合理设计，做好场地选择、平立面布置、结构体系等各方面的设计工作，有效控制地震作用下结构的薄弱环节，提高建筑的抗震性能。
参考文献：
［１］肖燕武，浅谈建筑结构设计的安全度［Ｊ］．科技创新导报，２００７（３５）．
［２］黄浙青，朱小德，浅谈结构设计中的抗震设计［Ｊ］．科技创新导报，２００８（２８）．
［３］牛慧娟，马小龙，浅议建筑结构设计中的概念设计［Ｊ］．内江科技，２００８（２）．
论文作者:温财经
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：场地论文; 刚度论文; 结构论文; 建筑论文; 土层论文; 构件论文; 延性论文; 《基层建设》2019年第14期论文;