淺談建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法
田偉
摘要；2008年汶川地震，這一場(chǎng)巨大的災(zāi)難帶給我們悲痛的同時(shí)也引發(fā)我們對(duì)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的反思。地震具有突發(fā)性，且可預(yù)見性低，因此應(yīng)以貫徹預(yù)防為主要方針，而其最根本的就是要搞好抗震設(shè)防和提高現(xiàn)代高層建筑抗震能力。本文從多個(gè)角度的建筑抗震設(shè)計(jì)方法，建筑抗震概念設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行概述。
關(guān)鍵詞： 抗震概念設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)方法；基于位移； 基于性能
前言
根據(jù)我國(guó)多次大型地震中房屋的損壞位置與程度分析中得出:科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是房屋抗震能力提高的制勝法寶。然而完整的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法不僅包括建筑結(jié)構(gòu)抗震分析計(jì)算法，還應(yīng)有抗震概念設(shè)計(jì)。
一、 建筑抗震概念設(shè)計(jì)
地震是一種難以把握的隨機(jī)振動(dòng)，其自身的復(fù)雜性和不確定性對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)房屋遭遇的參數(shù)和特性無(wú)非是現(xiàn)代建筑科技的挑戰(zhàn)�？拐鹪诮Y(jié)構(gòu)分析方面仍存在許多不確定性因素，例如未充分考慮非彈性性質(zhì),空間結(jié)構(gòu)作用和阻尼變化，材料實(shí)效等諸多因素，因此抗震設(shè)計(jì)不能完全依賴計(jì)算得到的結(jié)果。長(zhǎng)期抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的抗震工程基本概念和抗震工程的基本理論應(yīng)是抗震問題的基本立足點(diǎn)，同時(shí)也是良好結(jié)構(gòu)性能的決定因素。
1 建筑場(chǎng)地的選擇
地震中經(jīng)常出現(xiàn)的“輕災(zāi)區(qū)有重災(zāi)，重災(zāi)區(qū)有輕災(zāi)的現(xiàn)象，就是由于地震對(duì)房屋的破壞不只是在結(jié)構(gòu)上還有對(duì)房屋周圍場(chǎng)地條件的破壞。例如地基土的不均勻沉陷 滑坡，粉土 沙土液化，地表的錯(cuò)動(dòng)與地裂。
抗震設(shè)防區(qū)的建筑工程場(chǎng)地選擇應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則:
密實(shí)均勻的中硬場(chǎng)地土和開闊平坦的堅(jiān)硬場(chǎng)地土是建筑抗震有利地段的最好選擇。
避開對(duì)建筑抗震的不利地段，例如突出的山嘴 高聳孤立的山丘 河岸和邊坡邊緣 采礦區(qū) 軟弱場(chǎng)地土 非巖質(zhì)陡坡，在平面分布分布上巖性 狀態(tài) 成因明顯不均勻的場(chǎng)地土。
1.3不在地震時(shí)可能發(fā)生崩塌 滑坡 地陷 地裂 泥石流等地段和發(fā)震斷裂帶上建造房屋。
2 建筑體型的設(shè)計(jì)
力求建筑的體型要對(duì)稱 簡(jiǎn)單 規(guī)則 剛度和質(zhì)量變化均勻。
3 抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)遵循的原則
3.1采用多道抗震防護(hù)線，以防因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損壞而導(dǎo)致整個(gè)抗震體系喪失對(duì)重力荷載的承載能力或喪失抗震能力。
3.2抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合理的強(qiáng)度和剛度分布，避免因局部削弱產(chǎn)生應(yīng)力集中或是塑性變形集中，以防結(jié)構(gòu)薄弱部位的出現(xiàn)。
4 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置
建筑結(jié)構(gòu)各種構(gòu)件應(yīng)有良好的連接，各類構(gòu)件具備必要的強(qiáng)度和變形能力
5 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置
合理設(shè)置非結(jié)構(gòu)構(gòu)件諸如隔墻 填充墻 維護(hù)墻。
二 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法
基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法是以位移為前提的設(shè)計(jì)方法。它是在不同強(qiáng)度地震作用下，以位移響應(yīng)為主要目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期設(shè)定的性能和功能。它應(yīng)包括構(gòu)件截面承載力計(jì)算，構(gòu)件截面變形能力設(shè)計(jì)等。基于位移的抗震設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)首先能夠滿足多層次抗震要求。它通過不同的功能要求，設(shè)計(jì)出不同位移情況下的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度
（2）基于位移的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以目標(biāo)位移為基準(zhǔn)的，所以對(duì)破壞時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)有著確定的認(rèn)識(shí)。
(3)不必考慮結(jié)構(gòu)的非線性性質(zhì)。彈性結(jié)構(gòu)下的設(shè)計(jì)方法可以直接引用，可用線性系統(tǒng)代替原有結(jié)構(gòu)。
(4)位移法同傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程相比可直接獲得結(jié)構(gòu)抗震要求所需要的截面參數(shù)。
集于眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的位移法得到了越來越多的青睞，也廣泛地應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)理念�；�于位移的抗震設(shè)計(jì)方法大致包括三個(gè)方法：能力譜方法 控制延性的抗震設(shè)計(jì)方法 直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法。
能力譜法
能力譜法按照對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求將規(guī)范設(shè)計(jì)的反離譜折減后轉(zhuǎn)換為反應(yīng)加速度—位移關(guān)系的需求譜。并且根據(jù)對(duì)靜力彈塑性分析得到的力和位移關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換成等效單自由度體系加速度—位移關(guān)系能力譜。最后通過將能力譜和需求譜放在統(tǒng)一坐標(biāo)系，可以分析 評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能。能力譜法的基本內(nèi)容基本包括以下四個(gè)方面：
1.1.1以多自由度體系和單自由度的轉(zhuǎn)換關(guān)系為依據(jù) ，從而建立結(jié)構(gòu)的等效單自由度體系。
1.1.2通過對(duì)分析 研究結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性得出結(jié)構(gòu)基底剪力 。
1.1.3 在同一個(gè)坐標(biāo)系下把能力曲線與需求曲線比較，如果能力曲線不與任何一條需求曲線相交，則得出建筑結(jié)構(gòu)不滿足抗震要求。如果兩者相交，則可以通過運(yùn)用插值圖解法 計(jì)算出二者的交點(diǎn)，尋求二者交點(diǎn)的對(duì)應(yīng)阻尼比。該點(diǎn)確定了在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作用下單自由度體系下最大反應(yīng)和先對(duì)阻尼，因而可計(jì)算結(jié)構(gòu)延性。
控制延性的抗震設(shè)計(jì)方法
控制延性的抗震設(shè)計(jì)方法就是通過考察結(jié)構(gòu)屈服以后的整個(gè)反應(yīng)過程進(jìn)而研究構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性問題。
控制延性抗震設(shè)計(jì)方法主要包涵以下幾個(gè)方面：
（1）分析 計(jì)算出在小震下結(jié)構(gòu)的承載力， 并且運(yùn)算出截面內(nèi)力和配筋。
（2）依據(jù)大地震和經(jīng)驗(yàn)度計(jì)算選定的截面和配筋，得到結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度，求出結(jié)構(gòu)整體所需要的位移延性系數(shù)。
（3）通過研究結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)與結(jié)構(gòu)體系的塑形變化機(jī)制來確立構(gòu)件的延性需求，進(jìn)而運(yùn)算出臨界截面所需的曲率延性系數(shù)。
(4) 最后的截面的延性設(shè)計(jì)依據(jù)箍筋的確立進(jìn)行。
1.3 直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法
直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，即直接以位移作為設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)不同地震設(shè)防水準(zhǔn)，確立相應(yīng)的目標(biāo)位移。并且通過進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在制定地震強(qiáng)度下達(dá)到預(yù)先的目標(biāo)位移，因而有效控制結(jié)構(gòu)地震行為。直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法目前在文獻(xiàn)中較為廣泛應(yīng)用，其實(shí)用性在逐步提升。

2、基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
近幾年來由于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)思想與方法已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震功能的深層次要求，許多專家開始紛紛
關(guān)注怎樣強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗震安全目標(biāo)和如何提高抗震的功能要求，并且在理論研究和實(shí)踐設(shè)計(jì)中有所轉(zhuǎn)變和突破�；�于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念作為時(shí)代的產(chǎn)物，不僅繼承了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)理念的精華部分而且實(shí)現(xiàn)效益與投資的優(yōu)化平衡和滿足結(jié)“個(gè)性”的要求。
基于性能的抗震設(shè)計(jì)主要有以下三個(gè)方面的內(nèi)容
地震設(shè)防水準(zhǔn)的確立
傳統(tǒng)的設(shè)防水準(zhǔn)為小震 中震 大震三級(jí)抗震設(shè)防依據(jù)，它們是依據(jù)全國(guó)基本裂度設(shè)防區(qū)劃圖同時(shí)采用概率的方法得出的。而基于性能的抗震設(shè)計(jì)為了掌控不同強(qiáng)度地震下結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)，在傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)水準(zhǔn)基礎(chǔ)上深度細(xì)化抗震設(shè)防水平，同時(shí)采用地震動(dòng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。
確定結(jié)構(gòu)性能參數(shù)
基于性能抗震設(shè)計(jì)要求在不同水平地震作用下得到結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能指標(biāo)，因此需要運(yùn)用合理的結(jié)構(gòu)模型，科學(xué)的分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力分析。在低強(qiáng)度的地震下一般采用彈性動(dòng)力分析手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性分析，高強(qiáng)度地震下時(shí)常采用彈塑性靜力分析法進(jìn)行非線性受力分析。
確定結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)和性能目標(biāo)。
性能水準(zhǔn)即對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行劃分不同的等級(jí)和不同的層次。而明確的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)則是基于性能抗震設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。二者是確定合理的設(shè)計(jì)方法不可或缺的重要環(huán)節(jié)。
（4） 結(jié)合性能參數(shù)，對(duì)性能水準(zhǔn) 性能目標(biāo)綜合分析后，確定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案。
【結(jié)束語(yǔ)】 我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，唐山大地震 汶川地震的發(fā)生再一次提醒我們應(yīng)不斷地提高建筑的抗震能力，實(shí)現(xiàn)高的安全防護(hù)水平，最大限度減少人民的生命財(cái)損失，而建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法與之息息相關(guān)。

參考文獻(xiàn)
建筑地基處理技術(shù)規(guī)范 （jGj79-91） 計(jì)劃出版社 ，1992年
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