抗震设计在房屋建筑结构设计中应用
摘要：房屋建筑在使用过程中，假如不能抵抗外力作用，尤其是地震所施加的力，轻则致使房屋受损，丧失部分应用功能，存在安全方面问题，重则直接在地震中倒塌，使内部人员失去生命或者是残疾，且引发严重的经济损失。当前随着地震灾害率上升，需要在房屋建筑结构设计期间，不断提高抗震设计水平，增强房屋抵抗外力能力，增强建筑安全性。文章以房屋建筑为对象，针对在结构设计中强化抗震设计进行研究，概括设计原则，并介绍了抗震设计应用状况。
关键词：房屋建筑；结构设计；抗震设计；原则；应用研究
在遇到比较大地震情况下，房屋建筑抗震能力不足，将直接引起坍塌，导致大量人员伤亡和财产损失。在地震灾害呈现出增长态势的当下，房屋建筑结构设计第一要务是保障质量，提高抗震设计水平，以保证房屋有极强的抵御地震力的能力，促进建筑安全性提升。
1建筑抗震设计需遵循原则
1.1整体性
房屋建筑抗震能力如何，主要取决于结构整体稳定性怎么样，以及抵御地震力能力高低。所以房屋建筑结构抗震设计的重点是严格执行结构抗震设计标注，确保建筑结构的整体合理性，以增强房屋安全系数，使其在遇到地震力的时候具有一定的化解能力。房屋建筑结构设计中抗震设计要遵循整体性原则，就是在实际操作中要从全局着手分析和设计，正确合理的进行结构总体布置，确保建筑结构的整体刚度、承载力、稳定性等属性满足抗震的基本要求，力求整个建筑有良好抗震能力，而不是某一个部分。房屋建筑结构设计中抗震设计虽然会被落实到各个环节，但设计需从整体上考虑，系统进行分析，掌握可能出现影响结构抗震性因素，然后通过科学设计去消除。房屋建筑结构抗震设计要具有协调性，明确各个部分力的特点，做好调整、协调、控制等，然后从整体上提升抗震性能[1]。
1.2简化原则
一般情况下，房屋建筑结构越复杂，抗震设计难度会越大。因此在房屋结构设计过程中，应在契合对功能需求同时，考虑抗震的要求，简化结构形式，以促进房屋建筑结构抗震性能的提高。通常情况，平面形状简单、规则、对称，尽量使质心和刚心重合。偏心越大的结构扭转效应越大，会加大端部构件的位移，导致应力集中。当由于使用功能与建筑的要求，结构平面布置严重不规则时，应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。结构竖向不规则，将使地震时某些变形特别集中，常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。结构刚度宜为下大上小，自下而上逐渐减小。下层刚度小，将使变形集中在下部，形成薄弱层，严重的会引起建筑的全面倒塌。结构平面规则及竖向规则，可以更为准确进行力学计算，确保抗震设计有可靠的依据，从而在设计中有效控制与平衡，最终增强抗震设计成果。房屋建筑结构简化，结构整体承受地震影响能力提升，地震对房屋破坏性会比较小，房屋建筑可以得到比较好的保护。但需要注意，房屋建筑结构简单化不能盲目进行，需要在符合各项要求情况下尽量简化。
1.3抵抗性
房屋建筑结构抗震设计中，最为关键的是要坚持结构整体抵抗性原则。结构必须要整体稳固与可靠来抵抗外力作用。实际抗震设计中需要掌握各个部分力学特征，准确计算结构整体抵抗力。还要做好预测，针对抵抗性，确保最终抗震设计效果可达到抗震预期目标，将地震对房屋破坏控制在最小范围[2]。房屋建筑结构抗震设计在符合抵抗性要求外，应做好抵抗力的管理和控制，使房屋在受到地震力时受力平衡，进一步提高房屋结构稳定性，增强房屋整体抗震性能。
2建筑结构中抗震设计应用分析
2.1合理选择场地
房屋建筑要提高抗震性能，应从最为基础的选址着手，把地震及影响的不确定性和规律性结合起来，了解所选场地的地震危险性和小区域因素，合理确定建设场所。由地震引发的次生灾害如火山、洪水、滑坡、泥石流等造成建筑物的严重破坏，所以从选址工作开始就应该选择对抗震有利的地段，尽量避开不利的地段，避不开时应采取有效措施确保地基的稳定性，任何情况下均不考虑在抗震危险地段建造建筑物。房屋建筑要建设在地震发生率低的地方，以减少由于区域问题而导致承受过多的地震力，从而使房屋遭到破坏。其次房屋建筑结构抗震设计过程中应研究土质，尽量选择基土硬度符合要求的地方进行建设。地震作用下，由于地基承载力下降或地基土液化，使得地基部分失效甚至于完全失效，最终导致建筑物倾斜、倒塌。遇到不能满足需求但必须在这个区域内建造的，应当利用技术去改善，比如换土、加固等手段，以避免地基在地震作用下出现垮塌、位移、变形等。
2.2建筑高度和宽度设计
房屋结构抗震设计中，控制好建筑高度尤为重要。房屋建筑高度如果超出抗震规范标准的A级高度，抗震性能会下降，相应的抗震等级要求需提高。房屋建筑高度如果超出抗震规范标准的B级高度，则需要进行专门论证分析。房屋建筑结构抗震设计中一旦出现高度超高的现象，不能置之不理，而是要重新调整结构体系，最后确保高度在抗震规范所要求的范围之内，减少侧移的发生，有效达到抗震作用。房屋建筑结构抗震设计还要控制建筑宽度，提高房屋建筑宽度与高度比的合理性。当地震发生的时候，房屋建筑会出现一定的波动，当房屋建筑达到一定高度时，容易出现倾斜现象。当房屋建筑高度不变，宽度减少的情况时，会加地震的波动效应。通过合理控制房屋建筑的高宽比，有效防止房屋在地震力作用下出现严重倾斜，或者是因为力作用发生移动而引发比较大问题发生。
2.3确定好抗震等级
房屋建筑结构抗震设计过程中，必须确定好建筑结构的抗震等级。一般情况下，先判断建筑的抗震设防类别。甲类建筑属于重大工程和地震时可能发生严重灾害的建筑，乙类建筑属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，丙类建筑属于一般建筑，丁类建筑属于抗震次要建筑。确定好抗震设防类别后，再结合本地区抗震设防烈度来确定建筑结构的抗震等级。合理设置抗震等级，可保证在地区发生地震以后，房屋不受破坏，或者是破坏小，轻易不会出现建筑坍塌的问题，起到保护生命安全的作用。这个主要针对的是常规地震，而房屋建筑结构抗震设计中需要考虑到异常情况，也就是说地震等级大的问题，必须要保证具备一定的抗震能力，至少也能够为房屋内群众逃离争取时间，使其不至于在瞬间倒塌。房屋建筑结构抗震设计应从当地实际状况出发，搜集地震数据信息，明确历年来发生地震等级和周期性，在此基础上根据抗震需要，合理确定抗震等级。
2.4剪力墙设计
房屋建筑结构中与抗震相关比较多，例如常见的剪力墙，就是经常使用的一种抗震结构形式。目前主流房屋建筑为高层建筑或是超高层建筑，一般都会设置剪力墙，以达到抗震的目的。剪力墙在自身平面内刚度很大，平面外刚度很小，因此剪力墙结构尽量采用双向布置。一般情况，剪力墙宜均匀对称的布置在建筑物的外围四周、楼梯间和电梯间四周及平面形状变化较大的部位。剪力墙布置时，如因建筑使用需要，一个方向无法设置剪力墙，应采用其他抗侧力构件，使纵横两个方向在水平力作用下的位移值接近。剪力墙在竖向布置需上下连续均匀，如果出现自上而下不连续性，会导致刚度突变，这个时候需要通过调整墙体的厚度来提升剪力墙的抗侧性。剪力墙的洞口布置对剪力墙在房屋结构中抗震性能有比较明显的影响。对于剪力墙开洞，要有规则，避免到处开洞及散乱开洞，尽量让剪力墙的洞口以列的形式设计。不规则开洞会导致应力不均衡，造成建筑物潜在的薄弱环节。当开洞无法避免时，应对开洞周边进行一定加强措施。剪力墙设置优势在于，可使建筑上半部分可靠性和稳定性提升，当出现地震后可抵抗力的作用，保证房屋安全，或者是延缓倒塌的时间，为逃生和救援换取时间。剪力墙设计结合抗震规范的构造要求，使房屋结构中剪力墙的支撑能力提升，承受一定的荷载，从而增强结构抗震能力。剪力墙在结构中主要起到的是支撑作用，并在受力的时候随着情况变化而变化，提高结构的安全性和稳定性，使建筑有比较强的抗震性能。连梁是剪力墙结构中抗震关键构件，它是指剪力墙与剪力墙相连，跨高小于5的梁。连梁具有跨度小，截面大的特点。在地震作用下与之相连的剪力墙构件刚度大，容易出现剪切斜裂缝。连梁在地震作用下, 端部产生的弯矩, 剪力和轴力, 能够减小与之相连的剪力墙的内力和变形, 对剪力墙起到一定的约束作用, 改善剪力墙的受力状态。在剪力墙和连梁的协同工作中，剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在地震作用下，结构允许进入弹塑性状态，连梁可以产生塑性铰。根据抗震设计要求，剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏，也就是要求剪力墙和连梁的设计符合强剪弱弯的原则。因此在进行结构整体计算时，就需对连梁刚度进行折减。一般在实际设计中我们在0.55~1之间取值，以符合截面设计的要求。在连梁设计中，刚度折减后，仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况，这时可以增加连梁跨度以减少连梁刚度，或者增加连梁截面宽度，使连梁的承载力不超限。高层建筑的剪力和连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在进行连梁设计时，要把互相制约的因素统一协调，以取得比较理想的设计结果。
2.5保证建筑刚性符合要求
从当下设计来看，主流房屋建筑基本上都是钢筋混凝土结构，具有加固的效果，通常可增强建筑强度与刚性。当前针对钢筋混凝土结构有明确的要求，上部分和下部分的结构体系要保持一致[4]，否则难以达到抗震要求，也不符合抗震设计相关规范。以建筑上半部分为钢结构，下半部分为混凝土结构为例，结构体系不一样，相关部分也会有比较大的差异，比如阻尼和刚性，这种情况下抗震性能难以达到要求。如果在房屋建筑中出现屋盖是钢结构，在抵抗侧立设计中依然主要依靠的是钢筋混凝土结构，房屋建筑结构抗震设计需要具体问题具体对待，严格执行设计规范和要求。要提到的是并非结构刚性越强越好，超出了界限之后，建造成本会升高，除了会存在严重浪费外，还会导致承受的力过大，从而使房屋建筑出现严重问题。但结构的刚性也不能过低，因为会在地震力作用下出现变形，情况一般比较严重，使房屋有被地震力损坏的风险，故而在任何情况下都要保证刚性符合相关规定。
2.6整体分析与协调
通常情况下房屋建筑具有一定的规则，但也有特殊状况，就是建筑不属于规则型的。这类房屋建筑结构抗震设计，必须优化防震缝的设计，将不规则结构分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。房屋建筑结构抗震设计中力的计算极为关键，但需要注意不能仅依靠计算，而是要在设计中坚持从整体出发，分析力的情况，然后做好协调工作，增强竖向抗侧力的能力，使建筑在遇到地震时各个部分能一起消减能量和外力，降低对房屋的破坏性。设计中可进行模拟可靠性分析，通过掌握的材料参数，从全局出发，既要分析房屋结构所要承受的荷载力，又要对存在的可能性和不确定性进行研究[5]。此外，地震涉及到了烈度的问题，与结构抗震性能有比较大关联，结构抗震分析中要掌握相关情况。在此基础上可明确地震发生之时，各项因素对结构抗震性能的影响，而且是从不同视角上得出的结果，可靠性更强。紧接着要依据掌握的信息和情况，对结构体系展开分析和研究，从抗震角度上准确客观评价，促进结构体系的优化，最终实现帮助房屋建筑提高抗震性能的目的。
2.7位移设计和消能减震设计
房屋建筑在遇到地震以后，在力的作用下会出现位移，使其出现严重质量问题或者是倾斜.位移反映了房屋建筑结构的合理性和平衡性, 位移现象越严重，就说明房屋建筑结构的抵抗力越低。所以抗震设计一个重点是分析位移情况，通过科学设计减少和控制在地震力作用下进行位移，从而增强房屋建筑结构抗震能力。这就需要在实际操作中以承载力入手，准确对位移展开计算，并要在期间做好限制计算，同时还要按照要求完成延性计算，这样就能在期间掌握结构耗能实际状况，综合考虑下进行设计和优化，提高结构抗震整体能力。设计人员必须要对结构足够了解，对于高层建筑来说，主要集中在框架和剪力墙两个部分。掌握相关部分的关系，最后依据结构构件的变形要求进行设计。结构构件发生弹塑后会出现变形，应做好分析和研究，掌握其和其他变形之间存在的联系，集中在构件变形部分，最后从优化抗震和降低变形出现率出发做好房屋建筑结构抗震设计。房屋建筑结构抗震设计中还可采用消能减震结构进行抗震设计。相对传统抗震结构，消能减震结构具有很多优越性。消能减震结构由于设置消能装置，它们具有很强的耗能能力，在强地震中能率先消耗结构的地震能量，迅速衰减结构的地震反应，并保护主体结构和构件免遭损坏，确保结构在强地震中的安全。消能减震结构虽然增设消能装置，但主体结构所承受的地震作用大大减小，故可减少构件断面，减少构件配筋，扩大跨度，增加高度等等，结构物的总造价反而节省。由于采用消能减震结构，结构本身所受的地震作用大大减少，因而可以突破传统结构设计的某些严格限制，按照建筑结构的功能要求，做成非规则结构、大跨度结构、大开间结构、超高层抗震抗风结构等等。使建筑师从“抗震”限制中解放出来，比较自由地进行建筑设计。
3结语
总之，改善房屋建筑结构的抗震性能，可以有效减少地震造成的破坏，以增强使用的安全性，保护好人民生命，同时确保不会因为房屋问题带来经济损失。房屋建筑结构抗震设计极为重要，需提高设计能力，坚持整体性、简化、抵抗性原则，同时从整体上出发进行设计和协调，优化结构抗震性能，以增强房屋建筑安全性。
周一凡 中信建筑设计研究总院有限公司
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