性能下建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探析

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摘要：我國建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要求隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而日益提升。人們不再滿足建筑物僅給人們提供舒適的居住環(huán)境，而是對建筑物的安全抗震效果有著更高的標(biāo)準(zhǔn)。由于建筑物抗震效果的好壞直接關(guān)乎到在遇到危險(xiǎn)情況時(shí)是否能夠給人民提供安全的保障，只有保證我國建筑物的抗震效果達(dá)到嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，才能進(jìn)一步保證我國國民的生命安全。文章主要介紹基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)理論以及抗震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)的具體應(yīng)用，簡要說明我國現(xiàn)階段抗震設(shè)計(jì)理論存在的一些問題，并提出增強(qiáng)我國建筑物抗震設(shè)計(jì)的具體操作，希望能為我國業(yè)內(nèi)人士提供相應(yīng)的幫助。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；性能；抗震設(shè)計(jì)

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展以及人們生活水平的提高，對建筑物的質(zhì)量和抗震能力提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，建筑的設(shè)計(jì)單位開始逐漸重視抗震效果和抗震水平的進(jìn)一步提高，保證建筑物的抗震效果能夠達(dá)到小震不壞、中震可修、大震不倒的要求。建筑單位開始關(guān)注基于性能的建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，針對在設(shè)計(jì)過程中存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行及時(shí)排查，來保證建筑物的安全性和抗震性。

1抗震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

1.1主動(dòng)控制技術(shù)

主動(dòng)控制技術(shù)是指通過建筑物使用外部的能源來進(jìn)行增強(qiáng)建筑物本身的抗震效果。添加外力之后與地震所產(chǎn)生的作用力進(jìn)行有效對抗，形成一個(gè)反向的動(dòng)力，減少地震所帶來的強(qiáng)大推動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)建筑物的防震效果。主動(dòng)控制技術(shù)的工作原理是指建筑物在外部設(shè)立多個(gè)傳感器，通過對地震的反應(yīng)和激勵(lì)作用來進(jìn)行觸發(fā)響應(yīng)后，在科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的情況下，將信息進(jìn)行及時(shí)傳遞，計(jì)算出地震作用力的具體數(shù)值，再借助建筑外部的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來有效對抗地震作用力。現(xiàn)階段我國所采用的主動(dòng)控制技術(shù)主要有防風(fēng)板、動(dòng)力脈沖設(shè)備、阻力設(shè)備等。

1.2被動(dòng)控制技術(shù)

被動(dòng)控制技術(shù)是指將建筑物內(nèi)部的系統(tǒng)支撐點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)張，形成一個(gè)小部分的結(jié)構(gòu)動(dòng)能增加。現(xiàn)階段我國使用被動(dòng)形式的控制技術(shù)主要運(yùn)用在一些建筑物的減震、防震功能設(shè)計(jì)當(dāng)中。減震防震技術(shù)主要是將建筑物本身作為依托來實(shí)現(xiàn)有效的內(nèi)部抵抗地震作用力的控制結(jié)構(gòu)，將地震產(chǎn)生的作用力通過科學(xué)技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行有效的作用力阻斷，減少地震給建筑物帶來的破壞性，最終實(shí)現(xiàn)建筑物有效防震的效果。現(xiàn)階段我國采用隔離震動(dòng)的設(shè)備包括了混合、隔離、支撐、擺動(dòng)等諸多設(shè)備技術(shù)。而消能減震技術(shù)主要是通過外部一些小的構(gòu)件來組成內(nèi)部系統(tǒng)的元件，通過這些小構(gòu)件來進(jìn)行阻隔地震所帶來的動(dòng)能。為了更好地對抗地震所帶來的動(dòng)能，一些地區(qū)采用阻力器，耗能元件來對抗小的震動(dòng)，風(fēng)和作用力來對抗震動(dòng)以提升整個(gè)建筑物的抗震強(qiáng)度。同時(shí)阻力器、耗能元件也會(huì)隨著地震的強(qiáng)度進(jìn)行改變，通過將地震所帶來的動(dòng)能進(jìn)行有效地吸收轉(zhuǎn)化來減少建筑物的晃動(dòng)頻率更好地保證建筑物能夠小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震目的。

1.3混合控制技術(shù)

建筑當(dāng)中采用混合管理控制技術(shù)是有效的，將被動(dòng)控制技術(shù)和主動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行有效融合。通過管理者有效地進(jìn)行管理和科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，有效地將被動(dòng)技術(shù)和主動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，增強(qiáng)了建筑物內(nèi)部和外部的抗震效果。被動(dòng)控制技術(shù)適用性很強(qiáng)，主動(dòng)控制技術(shù)的抗震效果最好，但是兩者都存在缺陷，被動(dòng)控制技術(shù)容易出現(xiàn)檢測漏洞的問題，而主動(dòng)技術(shù)則過于依靠外部的能量控制，且結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)建復(fù)雜，難以進(jìn)行有效普及。然而混合管理技術(shù)的抗震效果遠(yuǎn)高于單一使用主動(dòng)控制技術(shù)或者是被動(dòng)控制技術(shù)，所以我國很多建筑單位多采用混合管理技術(shù)來作為自身的抗震技術(shù)。

1.4半主動(dòng)控制技術(shù)

半主動(dòng)控制技術(shù)可以在建筑物面臨地震來臨時(shí)，通過對于自身結(jié)構(gòu)的控制，根據(jù)地震的作用力大小來調(diào)整控制結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，來進(jìn)行對抗地震所帶來的作用力。這項(xiàng)技術(shù)不像主動(dòng)控制技術(shù)，過于依靠外部能源和力量，只需要建設(shè)一些弱電設(shè)施，就能夠有效保證建筑物的抗震效果。半主動(dòng)控制技術(shù)的使用對象是技術(shù)開關(guān)，以及有效控制弱電裝置的使用狀態(tài)和優(yōu)化對抗地震作用力的動(dòng)能。雖然現(xiàn)階段我國對于地震來臨時(shí)的預(yù)防災(zāi)難的措施和技術(shù)還存在不足，但是我們可以通過提升建筑物本身的抗震水平，不斷優(yōu)化我國抗震技術(shù)，必然可以在未來有效地進(jìn)行預(yù)防地震，減少甚至是消滅地震對于建筑物的破壞（見圖1）。

2基于性能的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主要理論

對于抗震設(shè)計(jì)，基于結(jié)構(gòu)性能的主要理論包括地震設(shè)防水平結(jié)構(gòu)、抗震性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)等。

2.1地震設(shè)防水平

建筑物的地震設(shè)防水平是指在設(shè)計(jì)整個(gè)建筑物圖紙的過程中對建筑物的建設(shè)環(huán)境和設(shè)計(jì)目標(biāo)來做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)考量。我國普遍采用“三水準(zhǔn)”地震設(shè)防水平作為我國標(biāo)準(zhǔn)化的地震設(shè)防水平。雖然“三水準(zhǔn)”地震設(shè)防水平有效地給我國建筑提供了地震設(shè)防水平的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于對不同等級(jí)的設(shè)防水平存在巨大的差異和問題，使得第一級(jí)和第二級(jí)水準(zhǔn)的重現(xiàn)期和超越概率都存在很大差異，這使得建筑物的設(shè)計(jì)不僅增加了成本，而且還存在危險(xiǎn)性。

2.2抗震性能目標(biāo)

抗震性能目標(biāo)是指對于建筑物對抗地震所能達(dá)到的性能水平或者是等級(jí)。對于建筑物的性能目標(biāo)是要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡卣痤l率、人民居住的數(shù)量情況、土地的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、建筑所在地區(qū)的文化價(jià)值、社會(huì)效益等多種因素來進(jìn)行構(gòu)建的。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)也是體現(xiàn)建筑物和當(dāng)?shù)貙τ诳拐鹪O(shè)防水平和結(jié)構(gòu)性能水平的具體體現(xiàn)和綜合的反應(yīng)能力。

2.3結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)是指建筑物在面臨地震時(shí)最大能夠承受的預(yù)期損傷。2004年，我國相關(guān)的專家學(xué)者總結(jié)世界上對于地震的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，參考了大量的數(shù)據(jù)文獻(xiàn)，并結(jié)合我國實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)編寫了《建筑工程抗震設(shè)計(jì)性態(tài)通則》，并在該通則當(dāng)中對于我國建筑物的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)有明確的要求，標(biāo)志著我國對于建筑物的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)已經(jīng)與國際接軌。但是還有一些不足，在一些具體的性能和力學(xué)指標(biāo)上無法給出具體的標(biāo)準(zhǔn)和說明。

3我國現(xiàn)階段對于抗震設(shè)計(jì)理論存在的一些問題

3.1過于重視抗震結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，忽視性能建設(shè)

我國現(xiàn)階段許多建筑物的設(shè)計(jì)單位過于重視建筑物的整體承載能力以及抗震結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，忽視了由于外界和內(nèi)部等多種因素下對于建筑結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)提升。而且許多設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)人員所學(xué)的理論中，都是過于強(qiáng)調(diào)建筑的主體結(jié)構(gòu)應(yīng)對地震時(shí)的抗損能力，而忽視了許多微小細(xì)節(jié)對于控制建筑物損失的能力不足，而且還缺乏抗震損失的經(jīng)濟(jì)評(píng)估準(zhǔn)則。

3.2設(shè)計(jì)理念過于保守

我國許多設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念多是保守型，對于一些新技術(shù)和設(shè)備缺乏相應(yīng)的適應(yīng)能力，阻礙了新的科學(xué)技術(shù)和設(shè)施在我國建筑物抗震設(shè)計(jì)中的融入。而且許多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑的抗震設(shè)計(jì)過程中，缺乏對于現(xiàn)場施工的了解以及對建筑性能的充分考慮，只是盲目地照搬過去一些抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，沒有對實(shí)際情況進(jìn)行充分考察，就制定刻板的設(shè)計(jì)方案。3.3抗震指標(biāo)不清晰，理念不明確我國現(xiàn)階段對于建筑物的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法針對抗震效果的具體數(shù)值和規(guī)定都不甚明確。而且在一些地區(qū)的建筑單位建設(shè)者缺乏相應(yīng)的抗震知識(shí)和抗震的理念，對于建筑物建設(shè)完成后是否能夠建立抗震性能和抗震能力都無法進(jìn)行有效地自身判斷。

4增強(qiáng)建筑物抗震設(shè)計(jì)的具體操作

4.1設(shè)計(jì)過程中明確設(shè)計(jì)規(guī)則和方案

建筑單位在規(guī)劃建筑物的設(shè)計(jì)過程中，要明確具體規(guī)則并對相應(yīng)建筑物的規(guī)劃進(jìn)行有效布置，通過對我國一些地區(qū)抗震數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)生地震的頻率，對建筑物的抗震效果做好相應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。通過設(shè)立平立面可以有效提升建筑物的抗震能力和減少地震對建筑物的破壞。所以建設(shè)單位要明確對于建筑結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)則，多從建筑物平立面的外形、測力承受力等角度進(jìn)行充分考慮。對于建筑物外部，要保證其對稱性和均勻性，減少不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)建筑物的抗扭能力（見圖2）。

4.2設(shè)計(jì)過程中考慮建筑物自身重量的問題

建筑物在地震來臨時(shí)會(huì)造成巨大破壞，不僅是由于地震所帶來的動(dòng)力所引起的，還有可能是由于建筑本身的質(zhì)量問題。因此，在對建筑物進(jìn)行具體開工前，保證地基等具體設(shè)施條件不變的情況下，盡可能減少建筑物本身的重量和增加其設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過對我國地震災(zāi)害的數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，土質(zhì)屬于軟土層的地區(qū)，如果建筑層數(shù)過高，建筑的結(jié)構(gòu)屬于頭重腳輕，地震對建筑物的破壞程度會(huì)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)同樓層的建筑。

4.3減少地震的能量輸入

建筑物抗震效果的具體體現(xiàn)就在于設(shè)計(jì)過程中能否對地震所帶來的最大破壞力提前預(yù)測，并對建筑物的結(jié)構(gòu)的形變能力做好提前的調(diào)整和規(guī)劃。對于建筑物的結(jié)構(gòu)形變數(shù)值，設(shè)計(jì)單位應(yīng)該對當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行充分調(diào)查以及對相應(yīng)的公式進(jìn)行有效運(yùn)算，來保證建筑物的形變能力能夠充分適應(yīng)地震的最大破壞能力，減少地震給建筑物帶來的能量輸入。

4.4抗震性能設(shè)計(jì)方法

提升抗震設(shè)計(jì)性能的方法主要有位移影響系數(shù)、直接位移設(shè)計(jì)等。位移影響系數(shù)法主要是通過對結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)。做出最大期望位移值的判斷和設(shè)計(jì)，通過模擬地震作用力，整體判斷建筑物的抗震效果。直接位移設(shè)計(jì)法，通過對建筑材料的極限數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)期的位移判斷，來得到建筑物的抗震性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。位移影響系數(shù)法無法具體展現(xiàn)建筑物某一層樓的損壞情況，是屬于整體性的大體評(píng)估。而直接位移設(shè)計(jì)法的局限性就是無法測量建筑材料極限數(shù)據(jù)之外的抗震效果。

5結(jié)束語

通過對上文的描述和分析，基于建筑物結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)新型的建設(shè)領(lǐng)域和技術(shù)，它與傳統(tǒng)的防震設(shè)計(jì)相比更具有科學(xué)性、系統(tǒng)性、適應(yīng)性和連貫性，能夠有效地提高我國建筑物的抗震體系構(gòu)建。政府和建筑單位必須要清楚地認(rèn)識(shí)到建筑物的結(jié)構(gòu)抗震效果以及建設(shè)水平高低，這直接關(guān)乎我國居民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。只有不斷地對我國建筑的防震設(shè)計(jì)和防震技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，才能更好地保證我國居民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。

作者:杜若紅 單位:蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院