建筑结构抗震设计探讨3篇

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建筑结构抗震设计探讨篇1

1抗震技术的概念

1.1抗震技术的原理地震灾害的高强破坏力源于地球地壳中的巨大能量，这种能量可承载横波、纵波向周围传递扩散，促使地表建筑物遭受能量波的负面影响，随即衍生出剧烈震动，破坏建筑物整体结构的稳定性、完整性。在地震灾害下，因建筑物主体振幅与其阻力值具有联动关系，即在阻力值低的情况下，建筑物对地震能量的抵消能力将降低，其振幅将增长，则可对建筑物造成严重损毁。对此，抗震技术的根本原理就是提高建筑物自体阻力，确保在地震灾害发生后，其振幅可有效下降，以此减轻建筑物在地震中的损害。

1.2抗震技术的标准我国房屋建筑抗震技术标准如表1所示：

1.2.1甲类建筑甲类建筑就是常说的重大工程建筑项目，或是在地震灾害影响下，可能出现严重损毁的房屋建筑。设计人员在围绕甲类建筑展开房屋抗震结构统筹设计作业中，其抗震设防烈度应特殊超出当地规划的标准指数。

1.2.2乙类建筑对于乙类建筑来讲，在推进抗震设计工作时，若房屋建筑整体规模有限，设计人员则可秉持因地制宜原则，按照当地既定的抗震设防烈度要求，运用抗震性能更强的抗震结构，完成房屋建筑整体抗震设计。

1.2.3丙类建筑基于丙类建筑开展房屋抗震设计，设计人员同样需着重满足当地抗震设防烈度的具体要求，使建筑物可有力抵抗地震灾害。

1.2.4丁类建筑设计人员在丁类建筑中执行抗震设计任务，抗震设防烈度可适当低于当地标准数值。但在抗震设防烈度已为6度的条件下，则不宜再降低抗震设计等级。

2抗震设计在房屋建筑结构设计中的现实意义

2.1加强建筑结构稳定性在房屋建筑结构设计作业中，为强化抗震设计效果。设计人员首要任务应为提高建筑结构的稳定性、安全性以及布局合理性，保证建筑物优质性能、功能的充分发挥。对此，应优先采用具备一定强度、延性、超长率的施工建材，增长建筑结构的完整性、建筑构件的“转动力”及耗能水平[1]。此外，在房屋建筑布局方面，设计人员应科学设置安全避难场所、事故应急疏散逃生通道。确保在地震灾害中，大众能够快速撤离建筑物内部。

2.2提升建筑的抗震能力目前，我国房屋建筑工程领域发展势头较为迅猛，设计人员在房屋抗震设计作业中，可灵活选用多元性科学技术，辅助抗震设计工作高效落实，如BIM模型等。精准筛选性价比、高质量、科学性强的抗震设计方案，增强建筑结构整体抗震性能，满足房屋建筑日常使用的现实性要求。

3抗震设计在房屋建筑结构设计中的根本原则

在房屋建筑抗震设计作业中，设计人员应侧重关注以下几项要点：一是保证构件刚度、负荷承载力、延性等多方面的参数性能可契合建筑业统一规程。对于建筑结构中较为薄弱的部分，设计人员应禁止对该部分采用竖向性荷载力构建，提高房屋建筑主体抗震能力；二是需有机衔接各个构件。以“框筒结构”为例，应将框架科学结合于剪力墙结构，加之合规增设多重抗震防线。防止房屋建筑承受地震灾害首次冲击后，在余震中出现破损。而由于不同抗震防线能够有效统一房屋建筑结构的延性及刚性，所以地震能量在短时间内快速被消耗；三是房屋建筑抗震结构内含大量强弱性不一的多样性构件，当抗震防线被地震震动破坏后，为避免房屋建筑坍塌，应确保抗震结构的弹性适宜。

3.1整体统筹设计人员在房屋建筑结构设计中，应站在全局角度深度考量[2]。例如在高层建筑设计中，需强调结构的设计完整性，并依托结构水平方向完成分区，保障抗震结构中的各个子结构均可发挥抗震能力。

3.2结构清晰由于结构清晰性可关乎到房屋建筑在地震灾害中的地震力传导效率，因此，设计人员应突出结构清晰这一设计原则。在所建立的房屋模型发生模仿地震位移的前提下，细致分析其中内力薄弱位置的信息数据，并推出可行性预控措施。

3.3抵抗作用发生地震灾害后，房屋建筑结构主体的刚度、抗震力将得到直接考验。对此，设计人员应格外注意房屋建筑的结构刚性。保证结构主体可对来自各方向的地震震动起到防御抵抗作用，维持建筑结构总体平衡性，避免其出现形变、扭转等问题，减轻地震灾害对房屋建筑衍生出的破坏性。

3.4结构协调房屋建筑结构的均匀性、规则性可体现在建筑布局设计中，通常以纵向、垂直为主。设计人员应在抗震设计中突出“抗侧移”方面的刚度，正当运用轴承特性，确保地震灾害中房屋建筑的刚度可靠。

4抗震设计在房屋建筑结构设计中的应用措施

4.1科学设计房屋建筑结构房屋建筑结构的统筹设计作为建筑物修建的关键一环，是房屋建筑抗震能力发挥的基础保证，也是迎合建筑物整体外观造型需要的重要要素。房屋结构设计工作具有较强的复杂性、系统性特点，可触及的专业领域众多。设计人员将抗震设计引进其中的具体方法有：一是充分采集当地以往的地震灾害历史信息数据，在深层次分析数据资源后提出抗震设计核心方向及要求，以前瞻性的视角超前控制地震灾害的危害性[3]；二是注重加强建筑主体的刚度、强度以及稳定性，优先使用“从简设计”理念，对于不规则形态的构造需对应增设科学性保护措施；三是通过运用抗震结构，驱动房屋建筑自体结构抗震能力的增强。而关于非承力部分，可通过缩短体积实现建筑成本的节省。

4.2巧用刚度设计积极优势房屋建筑结构的抗震设计需以刚度设计为支撑点。房屋建筑内设主轴可因内、外界的大力冲击，产生结构不稳等不良问题。对此，刚度设计则需强调房屋建筑抗震能力的满足，特别是针对“抗扭转刚度”来讲。为防止房屋建筑在遭受地震灾害冲击后，主体结构发生扭转、变形等问题，维持建筑结构长期稳定性。则需设计人员对“抗扭转”施以深度考量，践行“小震不坏。中震可修，大震不倒”的设计观念。适当强化房屋结构刚度，以此抵抗地震灾害对房屋建筑位移的影响。并均匀分布各个房屋建筑构件，规避由于刚度不均，随即衍生出地震力的聚集集中问题。确保房屋建筑总体刚度可符合施工设计规程，突出建筑抗震性能。除此之外，设计人员可通过正当使用“现浇构件”，以及在墙体内加设钢筋、构造柱，提高房屋建筑的砌体空间刚度及稳定性，预防“滑移现象”发生。

4.3使用剪力墙的结构设计“剪力墙”作为我国房屋建筑领域常用的实效性抗震结构之一，其优点性能可充分契合高层、超高层建筑的抗震需要。正当使用可保证房屋建筑上层结构在地震灾害中的基础稳定性，延长上层结构坍塌、塌方时间，能够向高层住户争取更可观的疏散逃生时机。房屋建筑剪力墙结构设计如图1所示：对于剪力墙的力学特征而言，可将该结构归纳于钢筋混凝土一列，能够对“力”伴生出的内应力荷载加以有力支撑。而剪力墙支撑原理则为水平力支撑，因其持有“连接梁柱”，可源源不断的向房屋梁柱供给支撑力。因此，在轻微、小型地震外力作用下，剪力墙可发挥自身抗震性能，保障房屋建筑稳定性、完整性。

4.4规范建筑楼层数及高度现阶段，我国房屋建筑领域部分设计人员陷入了思想误区，错误认定建筑物楼程多、高度高，则可突出利益最大化。而站在科学角度分析，房屋建筑楼层多、高度高，其抗震性能将难以保障。因此，在房屋建筑设计中，应侧重迎合作业区当地地质条件，并结合抗震要求。以地震频发地区举例，应谨慎建设高层建筑，优先采用低楼层、占地面积广的设计方案[4]。这样不仅可保证房屋建筑主体抗震能力，还可确保大众能够在地震灾害发生后的第一时间迅速撤离。对此，设计人员应以当地地质现况、地方政策规定等硬性标准为基本遵循，合理确定房屋建筑高度及楼层数，发挥地震灾害中的房屋抗震优势。

4.5合规设计房屋建筑墙体当地震灾害发生后，因地震产生的作用力将率先对房屋建筑的横、纵墙带来严重破坏，导致其出现破裂裂缝、变形倾倒等问题。常规情况下，“横墙”承担了建筑物承重墙的作用，在负担地震震荡力时，将直接对建筑主体稳定性产生负面影响，甚至催化建筑物倒塌事故发生。因此，合规设计房屋建筑横、纵墙具有较强现实意义。另外，为有效优化房屋建筑抗震性，设计人员可采用“纵墙贯通”的结构布局，注重在横、纵墙衔接部分增设构造柱，或是标准数量的配筋。

4.6建筑多重抗震设防设计设计人员在策划房屋建筑抗震作业中，应着力加设多重抗震防线。采用延性表现良好的构件，以协同作业的形式抵抗、淡化地震力，或是应用赘余杆件自体特征的变形、屈服聚集吸收海量地震能量，以及依靠其退出及破坏工作，过渡房屋建筑结构的稳定性，驱动结构周期完成动态变化。进而规避共振效应的发生，减轻房屋建筑在地震灾害中遭受到的破坏影响。而多重抗震防线有：一是一个保障有力的抗震体系。抗震体系往往由多个延性性能表现良好的分体系构成，并以延性结构构建的“互联”协同作业。例如“框架”抗震墙体系为延性框架、房屋抗震前这两个系统组建；“双肢”、“多肢”抗震墙体系则由多个“单肢墙”构成；二是房屋建筑抗震结构体系的创建需着力强化内、外界的赘余度，设计系列“屈服区”，保证结构主体迅速耗散地震能量。在结构被破坏的前提下，同样有益于结构修复。如在“框架”抗震墙体系设计中，设计人员应周全考虑“小震”、“中震”、“大震”后的房屋结构完整程度。确保在连梁丧失稳定作用后，主体结构依然具备承载力，保证“不倒”。此外，应将框架柱自体剪力设计在房屋建筑结构总剪力的两成以上，突出房屋建筑抗震性能的良好表现。

4.7正当选用抗震建筑材料为保证房屋建筑能够在地震灾害作用下“安然无恙”，抗震设计则需提前介入到建筑物建设施工中。设计人员需依照房屋工程成本预算，优先选择承重能力强、抗震性能佳的优质建材，以备抵御地震灾害的强烈冲击。在建材挑选作业中，设计人员应注重探明房屋建筑施工区的地质现况、以往引发当地地震灾害的核心归因，以调查结果作为施工材料科学选择的参考凭证。常规情况下，我国房屋建筑抗震施工常用建材具有质地轻、抗性强、坚固性高、可塑性佳等特征。确保地震灾害发生后，房屋建筑可维持自身完整性，或是被地震灾害破坏的建筑构件，不会因坠落、脱皮等问题伤害大众生命，突出房屋建筑在地震灾害中的安全性。

4.8正确应用建筑隔震措施设计人员在主导房屋建筑抗震设计工作中，应以建筑工程总体规模、工程项目施工区地理条件等现况作为房屋抗震设计的基础依托。并以其为依据，科学确定房屋建筑抗震装置的安装位置、安装数量，保证这些抗震装置可组建为“隔震层”，能够在房屋建筑关键构件部位起到抗震效用。根据抗震层设置位置的差异，可将其划分出地基、间层、悬挂、基础隔震措施这四种类型。以地基隔震层为例，其基础原理就是在房屋建筑底层与土层的接触面中加设“缓冲层”，确保地震能量突破地壳向房屋建筑传导时，缓冲层可起到吸收、反射、消减能量的功能作用。旨在减轻地震灾害针对房屋建筑的冲击影响，避免建筑主体结构被肆意破坏。当前，我国房屋建筑在施工地基防震层时，常以沥青为主要施工建材。但可以预计，在我国房屋建筑抗震领域蓬勃发展的新时期下，隔震层的修建材料可得到多元创新，继而切实优化房屋建筑抗震效果。然而在普遍认知中，地基隔震层常被定义为不安全、不稳定的房屋建筑塌方隐患，无法承受地震灾害的强大冲击。因此，设计人员在确定使用地基隔震层这一防震技术时，应深度考量其可对房屋工程建筑造成的系列不利影响，并加以应对处理。保障隔震层的隔震性能可在突发地震灾害时得到充分发挥，保护大众基础性财产、生命安全。综上所述，在我国地震灾害频发的新时代背景下，房屋建筑领域的抗震设计成效收获到了社会各界的重点关注。对此，设计人员应侧重秉持因地制宜这一根本性原则，针对我国不同地区的地质结构、灾害特征、地理条件等基本要素，在房屋建筑结构设计中同样采取不尽相同的抗震设计。满足各地区的现实性房屋抗震需要，高度切合城市经济健康发展规划。从而在维护社会大众地震灾害中的合法性财产及生命安全的前提下，助力我国现代化建筑领域长远发展。

作者:宁海永 单位:华纺房地产开发有限公司

建筑结构抗震设计探讨篇2

2019年10月教育部印发的《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》指出，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量，强调要解决好教与学的模式创新问题，强化现代信息技术与教育教学深度融合，要在2019年至2021年内认定1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。随着计算机和信息技术的快速发展，专业课程教学全过程实时引入虚拟仿真技术已经可以实现。虚拟仿真技术成为解决部分因高成本、高危险、不可逆而无法开展的教学实践项目或大型综合训练项目的有效手段，可以充分调动学生课程学习和参与实验的主观能动性，显著提升学生的学习兴趣和潜能，增强学生解决复杂工程问题和创新创造的综合能力。虚拟现实技术（VirtualReality，简称VR技术）是计算机技术融合多媒体技术、仿真技术、传感技术等，通过在视觉、听觉、触觉等感官上逼真模拟环境和场景，让使用者如同身临其境，是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的全新方式[1]。VR技术作为一种全新的虚拟仿真试验形式，因其特有的沉浸性、多感知性、交互性，必将对工程教育教学产生深远的影响。

一、虚拟仿真技术在土木工程专业实验平台建设中的应用现状

作为传统工科专业，土木工程具有综合性强、实践性强、与工程实际联系紧密的特点，但是土木工程专业实验和实践教学具有时空分布广、工程参与方多、危险性高等特点，导致实践教学成本极高、组织困难，使经费有限的院校在专业试验和实践教学方面达不到预期效果[2-3]。工程实践能力培养作为工程教育的重要内容，不仅是检验教育成效的关键性指标，更是“新工科”培养解决复杂工程问题和具备创新创业能力的迫切要求。因此，为解决土木工程传统理论教学与工程化培养之间的矛盾，实现理论教学与实践教学紧密结合，土木工程专业应立足于推动教育信息化在培养学生创新和实践能力方面的应用。教育部分别于2013年、2017年分阶段开展了国家级虚拟仿真实验教学中心和示范性虚拟仿真实验教学项目的建设工作。到2019年，土木类国家级虚拟仿真实验教学中心有9个，获批的土木类示范性虚拟仿真实验教学项目达到13项。现代计算机信息技术在软硬件上的快速发展，已经逐渐被应用到建筑教育等行业，包括建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等技术。其中BIM、GIS技术已趋于成熟，在建筑、交通行业被推广应用，并在土木工程教学过程中被广泛研究。将BIM技术与VR技术融合，VR技术可以增强BIM应用效果，加强可视性和具象性，同时通过虚拟展示和交互操作，可以让静态知识转化为动态的、可操作的知识，为学习者提供沉浸式体验，激发学生的求知欲。但是VR技术仍然处于起步阶段，尤其是在教育领域，局限于课程类型的差异，VR技术的应用有其自身的特点。

二、VR技术在土木工程教学中的应用现状

相比发展较为成熟的BIM仿真技术，VR技术在土木工程专业教学中的应用很少，目前的研究主要是针对课程特点和教学内容进行可行性探索，仍未大量应用于课堂教学。陆海燕、鲍文博、王海军等[4-5]自主开发了土建类专业BIM与VR仿真教学平台，并探索与实践了BIM与VR在CAD课程和土木工程施工课程中的创新教学模式。袁杰、赵倩怡、童华炜等[6]同样将VR技术与土木工程施工教学相结合，以脚手架施工为例设计虚拟场景，并进行了教学实践。鉴于VR技术在物理、化学等基础课程实验教学中已经有应用案例，李志新、徐开东、王继娜等[7]对VR技术在建筑材料实验教学中的应用进行了有益探索。此外，王培涛、任奋华、蔡美峰[8]创建了VR技术和3D打印技术“虚实结合”的教学模式与平台，并将其应用于岩土工程课程教学中。VR技术在土木工程课程教学中的探索实践表明，基于VR技术的虚拟仿真平台可以解决学生现场实验或实习面临的实习资源短缺、高成本、高风险和长周期等不利问题，能够激发学生的学习兴趣，提高学生的实践创新能力，促进师生间的良性互动，是新工科建设背景下土木工程教学改革的新突破。VR技术在土木工程教学中的应用目前主要偏向于实践性较强的施工类课程，在其他专业课程尤其是结构设计类课程的教学应用中尚处于起步阶段。鲁正、龚依捷、周颖等[9]将虚拟仿真技术应用于建筑结构抗震课程教学，提出基于虚拟实验的土木类专业课教育改革思路，但是该虚拟仿真实践仍然停留在试验演示阶段，交互性和用户体验有待提高。由此可见，基于VR技术的土木工程结构设计类课程的教学模式探索势在必行。

三、基于VR技术进行建筑抗震设计课程教学改革的必要性

建筑抗震设计课程是土木工程专业建筑工程方向的一门必修课，一般院校在大学四年级第七学期开设。该课程以工程地震知识和结构动力学为基础，结合试验研究和震害经验，以抗震设计的基本概念和方法为重点，综合了土木工程专业建筑工程方向所有的专业基础课，对学生学习提出较高的要求，具有很强的综合性。本课程的教学目标是使学生了解建筑结构在地震作用下的反应，掌握建筑结构抗震设计的基本原则，能够进行建筑结构地震作用和效应的计算、抗震承载力和变形的验算，掌握不同结构的抗震构造措施，使学生具备解决工程结构防灾减灾的素质、解决工程抗震设计和施工等方面问题的能力。目前该课程主要以传统的讲授式教学模式(lecturebasedlearning，LBL)为主，学生被动接受教师讲课内容，参与度很低，属于传统的“填鸭式”教育。在传统模式下，由于地震属于自然灾害，教师无法创造有效的实体体验模型，学生对地震的认识只能从教师准备的PPT、视频和口述中得到粗浅的认识，而不能从切身体验中得到全方位的感知；而学生在掌握了抗震的基础知识和计算方法后，对不同结构类型的建筑进行抗震设计，但是设计的结果是否能满足建筑抗震要求，无法第一时间得到证实，如果不满足抗震要求会导致何种严重后果，也无法进行个性化的展示。因此，为了提高建筑抗震设计课程的教学质量，有必要对课程的教学模式进行改革，真正将学生的理论学习与实践学习相结合，将学生静态知识转化为动态可操作性知识，激发学生的求知欲，提高学生解决复杂工程问题的能力。将先进的仿真模拟技术、多媒体技术、信息化技术引入建筑抗震设计课程教学，构建一种多感知、可交互、沉浸式的虚拟现实教学模式，可以让学生通过虚拟现实感知地震对建构筑物的震害影响，更加深刻理解建筑抗震设计对工程结构安全的重要性。

四、VR技术在建筑抗震设计课程教学中的应用方法探索

本文尝试以VR技术为基础，通过对建筑抗震设计课程中的知识点类型和知识点的重要性进行模块化归类，研究如何将课程各章节抽丝剥茧地分析后获得适宜开展VR试验的教学内容，以此探索VR技术在建筑抗震设计课程全过程教学中实现的可能性。

（一）建筑抗震设计课程教学内容模块化分类山西大学土木工程专业建筑抗震设计课程的主要教学内容、学时和教学方式安排见表1所示。以VR实验平台建设为基础，根据建筑抗震设计课程教学内容和教学大纲，对建筑抗震设计教学内容进行分类。如图1所示，建筑抗震设计分为四个模块。1.认知型模块：主要指课程涉及的基本概念，包括地震的成因、地震波传播特征、震级与烈度、建（构）筑物的震害特征、场地及其震害特征等。2.解析型模块：主要指教学内容中的基本计算理论，包括场地类别的划分、液化场地的判别、地震作用的计算方法等。3.深化型模块：主要指具体建筑物的结构抗震设计方法与抗震构造要求，包括混凝土结构、钢结构、砌体结构、隔振与消能减震等具体的抗震设计方法。4.综合型模块，主要是指完成建筑抗震设计课程学习之后，在大四第二学期的毕业实习和毕业设计中将会综合性地应用本课程的学习内容，为此设立该综合模块为后续环节提供前期指导；同时该模块将VR实验群整合，为低年级学生的认识实习、生产实习等实践环节提供平台，让低年级学生更早认识与理解抗震设计在整个建筑设计阶段的重要性，为将来进入高年级专业课学习奠定感性认识基础，增强学生的专业自豪感。通过课程模块化划分，实现了课程内容的分解，达到提炼并设计VR实验教学内容的目标。

（二）构建建筑抗震设计课程VR实验项目群以课程模块化分类为基础，提炼实现VR实验教学的内容，构建建筑抗震设计课程VR实验项目群。针对认知型模块，将VR技术软件与多媒体技术相结合，建立以从地震及其成因到建筑震害为主线的虚拟现实体验式试验项目群，即建立“地震及其成因→地震波传播→地震对建筑和场地的破坏特征→地震烈度”的震害逻辑顺序综合虚拟场景，让学生对地震及其引起的震害有直观感受和认识。针对深化型模块，将VR技术与有限元软件倒塌计算模型相匹配，建立不同结构类型的结构内部或局部在地震作用下的受力、变形和震损特征虚拟场景教学模块，即建立“建筑结构三维总体模型及倒塌模型→局部构件、节点，附属结构破坏受力、变形和破坏”虚拟场景，让学生从震害现象到破坏机理深刻理解各抗震设计内容和构造要求对建筑结构抗震性能的重要影响。针对综合型模块，可以将认知型和深化型模块对应的试验项目群各试验内容设置参数变量与独立入口。针对大四学生毕业实习和毕业设计，可以通过设置不同的设计参数、变量体验场地和结构的抗震设计安全性，为毕业设计提供参考和依据；针对低年级学生，可以通过独立入口，比如仅体验认知型模块中的地震成因、结构震害等，以加强他们对专业的感性认识。对于解析型模块，因涉及理论计算教学内容，不适宜也无法开设虚拟仿真实验教学。

（三）VR实验项目在建筑抗震设计课程教学中的实践与反馈将建立的建筑抗震设计课程VR实验项目平台应用于教学，基于学生反馈，逐步完善VR实验教学方法和VR实验教学平台。课程教学参照教学大纲，根据教学进度和内容，适当安排2~4学时，学生分小组运用VR实验平台在课堂中进行探索性学习。教学要以学生为主体，教师通过学生评价获取教学效果评级，同时对学生提出的意见进行课堂教学模式改进和VR实验平台改进。针对认识实习、生产实习、毕业设计和毕业实习，根据教学大纲，每个实践环节安排1~2个VR试验项目，试验过程中同样收集学生反馈意见以改进实践教学模式和VR试验平台的用户体验性。随着新工科和“一流本科”建设的推进，充分利用计算机和信息技术开展专业课程教学改革已势在必行。土木工程专业作为传统工科专业，产教融合在其人才培养过程中具有重要的作用。利用虚拟仿真技术，可以较好地解决实践教学中遇到的实际困难，但是基于VR技术的土木工程教学实验平台建设仍处于探索阶段。本文以建筑抗震设计课程教学改革为基础，尝试将VR技术引入教学过程并推广至其他实践环节，以改善土木工程结构设计类课程枯燥的教学模式，增强学生的学习兴趣和参与度，提高学生解决复杂工程问题的能力，这对本校土木工程专业课程建设和人才培养改革具有重要意义。

作者:贾冠华 刘宏 冀慧 曹瑞东 郭智峰 单位:山西大学电力与建筑学院

建筑结构抗震设计探讨篇3

近些年，我国高层建筑愈发普遍，其结构抗震设计原则主要依据“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三个设防标准，建筑结构的抗震设计主要通过两个设计阶段来实现结构抗震目标。建筑结构抗震设防第一阶段主要是结构承载能力验算，以地震动参数来计算建筑结构弹性地震作用标准值及其地震作用效应，并通过分项系数对建筑结构截面承载能力进行抗震分析，进而满足小震不坏的抗震要求。建筑结构抗震设计的第二阶段主要是结构弹塑性变形验算，主要依据弹塑性层间变形对建筑不规则结构及特殊抗震要求的部位进行变形验算，进而满足建筑大震不倒的抗震要求。建筑结构中震可修的设防要求主要是根据建筑结构设防措施来实现的，其主要体现在建筑结构第一设计阶段中。建筑结构抗震概念设计主要是指建筑结构抗震类型、地震剪力等内容，建筑结构抗震措施主要是指构件抗震等级分类等内容［1-9］。

1工程概况

工程项目总建筑面积为35144m2，其中地上建筑面积为29965m2，地下面积为5179m2，该建筑总高度约为64m，地下2层，地上18层。层高：地下一层5.58m，地下二层3.6m，地上一层至五层均为4.8m，六层至十八层均为3.6m。四层、五层电影院为大跨空间结构，跨度为25m×25m，根据我国现行建筑抗震设防标准，该地区地震的基本烈度约为8度，地震加速度0.20g，建筑场地类别为Ⅱ类，地震设计分组第一组，阻尼比取0.05。建筑主体结构的基本风压取值为0.45kN/m2，基本雪压取值0.40kN/m2。该建筑设计使用年限为50年，抗震设防类别为丙类，建筑安全等级为二级，主体结构形成以框剪为主，四层、五层的电影院结构采用型钢混凝土框支柱结合形式。建筑物东西长度约为70m，南北长度约为60m，首层至五层主要为建筑裙房，建筑抗侧立剪力墙结构主要分布在南北楼梯核心区，多数柱子截面尺寸为800mm×800mm，转换框支柱截面为尺寸800mm×1000mm，并且适当加宽框架梁，提高建筑室内净高。

2结构超限设计

2.1地基基础设计根据本工程项目的现场地质勘察报告结果可知，该区域地下水可能会腐蚀混凝土，并对钢筋具有弱腐蚀性。该区域地下水可以通过采取抗浮措施，例如埋深方式采用高水位0.5m、正常水位-1.5m的方式进行，并且本项目施工场地在地下20m内未发现全新的砂土等土层，所以，该建筑基础不会出现地基液化的现象。本工程地下埋深为9.3m，地下建筑防水等级为一级，地下室外墙、筏板基础底板的抗渗等级为P8，同时，地下室防水混凝土外部、筏板基础底部另铺贴相应的防水材料。该项目地下室长度约为100m，通过采用设置后浇带的措施，解决该工程混凝土大体积施工产生温度应力的问题。此外，本项目的基础采用桩筏基础，设计安全等级为二级，依照常用的桩基础进行设计，主楼的基础底板厚度为1200mm，地下车库的底板厚度为700mm。根据现场地质勘察报告对桩基进行设计，其主楼采用钻孔灌注桩，桩长54m，桩径700mm，混凝土强度等级C40，单桩自身承载力设计值为4500kN。地下车库的桩基采用预制桩，桩长25m，桩径400m，混凝土强度等级C30，并且地下车库部分桩基同时具有承受压力和拉力的现象，因而其单桩自身抗压承载设计值为800kN、抗拔承载能力设计值为500kN。

2.2上部结构超限设计依据现行的建筑抗震设计标准及高层建筑工程抗震设防技术要点，本工程中主要包括局部楼板不连续、扭转位移比、抗侧立构件不连续三种一般不规则情况，并且该建筑单体采用装配式建筑工艺，其建筑抗侧力构件所受到的倾覆力矩占建筑总倾覆力矩的40%。此外，该建筑总高度大于60m，依据上海市预制混凝土建筑结构的相关规范中，本工程属于平面特别不规则、立面不规则的上部超限结构。

2.3不规则结构采取措施本项目属于平面特别不规则、立面不规则结构，通过分析手段提高建筑结构的安全可靠性，具体措施如下：第一，在建筑处于地震带的情况下，利用弹性时程分析法进行补充计算，利用振型分解反应谱法对结构底部、层间剪力、层间位移进行比对；第二，在计算模型中，将凹角区域等平面不规则的楼板依照弹性板考虑，提高其配筋率；第三，对结构进行罕遇地震受力分析时，利用动力弹塑性分析法识别结构剪力墙的应变等级，进而判别结构的破坏形态；第四，提高结构竖向构件的抗震等级，尽量减少构件之间的刚度差异。

3建筑结构设计

3.1建筑小震指标控制本结构通过利用YJK-A和MIDASBUILDING两种软件对整体结构进行计算对比，两种计算软件中各类构件的周期位移偏差均满足现行标准规定，建筑结构主方向动力特性满足要求。建筑结构各个构件均未出现超筋的现象，建筑整体及各个构件刚度均满足建筑弹性阶段的要求，未出现明显的薄弱层。高层建筑的承重墙、柱所受的荷载较大，地震时，结构底部的震感较为明显，因此应对结构轴压比进行限制，例如采用小间距井字复合箍的方式，并且通过在剪力墙中部设计型钢来进一步提高建筑结构整体的抗弯、抗剪的能力，最大程度地提高建筑延性。本建筑弹性时程分析在满足地震加速度的曲线三要素外，还保证各条地震波基地剪力满足相应规范的反应谱，进而得到地震效应系数，为建筑在多遇地震情况下提供最佳性能，满足建筑小震不坏的设计要求。

3.2建筑中震、大震的指标设计本工程的抗震设计烈度不考虑构件承载能力系数调整、荷载分项系数，结构不屈服验算不考虑风荷载与地震效应的组合等，结构等效弹性验算时，不考虑抗震等级的影响。建筑结构在遭遇大震时，结构阻尼比取值0.07，连梁刚度折减系数取值0.3，周期折减系数取值1.0，并且在中震时取小震与大震的均值进行验算。通过电算，本项目各个构件在中震条件下的承载能力完全满足建筑抗震设计要求。为了进一步研究剪力墙结构在中震受拉的情况下，对建筑结构墙肢的最大拉力、力矩进行验算，进而判定构件双向偏心受拉的截面，如果截面拉力作用点在纵向钢筋包围面积之外，则力矩与拉力之比超出墙肢面积h/2-αs时属于大偏心受拉，未超出时为小偏心受拉。本工程剪力墙墙肢的最大拉应力为2.3MPa，混凝土强度等级为C60，剪力墙墙肢协同工作后，拉力水平降低，则不需再增设型钢来提高剪力墙墙肢的抗拉性能。此外，结构部分构件在小偏心受拉破坏时，混凝土未充分发挥其作用，进而需将剪力墙墙肢的最小纵筋配筋率提高20%，保证剪力墙墙肢不会发生破坏。

4动力弹塑性时程分析

4.1结构差异对比本项目采用SAUSAGE2020软件进行地震结构动力弹塑性时程分析。分别选取一组天然波和人工波，结构主方向的最大加速度为220cm/s2，次方向最大加速度为180cm/s2，地震的有效时间不小于结构周期的5倍，单条波剪力满足抗震规范谱要求，地震波组的特征周期大于0.50s。在建筑弹塑性模型中，剪力墙特殊部位的纵向钢筋配筋率依照0.40%计算，其余部位的纵向钢筋配筋率按0.30%计算，此软件仅考虑地上结构部分，YJK-A与SAUSAGE2020计算软件中建筑结构前3个周期质量对比如表1所示，可以得出结构的自振周期相差较小，主要是SAUSAGE2020软件中未减去梁、柱、板等重叠部分的质量，进而产生相应的差异。

4.2弹性与弹塑性结果对比在建筑大震的情况下，从主方向弹性与弹塑性基础底部的建立时程分析法中可以看出，建筑结构不断损伤后，结构的整体刚度逐渐降低，建筑周期逐渐增长，结构进而进入到弹塑性阶段。

4.3结构连梁损伤分析本工程对搭接的楼面框梁进行加强，但型钢混凝土连梁截面的压损程度明显低于普通混凝土连梁，连梁在型钢混凝土加强后，钢筋最大应变集中于加强处与普通处的截面部位，连梁的普通段其损伤程度较大，钢筋应变介于0.65~0.85倍的屈服应变，该结构通过阻尼耗能，建筑整体进入弹塑性程度，其耗能主要以连梁为主，与理论设计相符。

5结语

综上所述，本建筑结构主要属于局部楼板不连续、扭转位移比、抗侧立构件三项一般不规则的高层建筑。本文主要对建筑结构设计的薄弱部位进行了有效处理，最大程度降低了上部超限带来的影响，满足了建筑结构的抗震需求。利用YJK-A与SAUSAGE2020软件，对本结构进行抗震性能分析，得出结构小震时，各个构件应力均未超过设计值，且构件变形满足要求，大震下弹塑性变形可以控制在规范以内，达到小震不坏、大震不倒的目的。此外，通过相应结构抗震措施，满足结构中震可修的要求，保证结构整体的安全，提供最优的抗弯能力，满足现代建筑抗震设计标准的设计要求。

作者:吴化伟 单位:山西省建筑设计研究院有限公司