市政建筑结构设计中抗震设计方法研究

林道宽

摘  要：本文系统探讨了市政建筑结构设计中的抗震设计方法。首先阐述了抗震设计的必要性、要求和目标，强调了其在建筑安全中的核心地位。随后，文章列举了抗震设计的基本原则，如结构简单化、提高整体性和增强抵抗性。文中还详细分析了抗震设计的具体方法和要点，包括设计要求、计算方法及结构计算。最后，研究提出了优化策略，如提高施工选址的有效性、优化材料与设计方法、加强抗震平面设计及防线设置。

关键词：建筑结构；结构设计；抗震设计；优化策略

1 市政建筑结构设计中的抗震设计概述

1.1 抗震设计的必要性

市政建筑作为城市的核心设施，其安全与稳定直接关系到整个城市的运行和市民的生活。近年来，随着地震频繁发生和城市建设的加速，抗震设计的必要性日益凸显。首先，地震带来的破坏性力量不仅可能对建筑物造成严重的物理损害，而且可能导致人员伤亡和经济损失。其次，由于城市的高密度建设，一旦某个关键的市政建筑如医院、学校或公共交通设施受损，可能会引发更大范围的连锁反应，影响城市的正常运行。

1.2 抗震设计的要求

抗震设计并不仅仅是简单地确保建筑在地震中不倒塌，而是要确保结构在各种可能的震动下都能表现出良好的性能。具体的要求包括：确保人员的生命安全，即在大地震中能防止建筑物的倒塌和严重的结构损伤；确保结构的功能完整，即即使在中等地震中，建筑也能继续为市民提供必要的服务，如电力、供水、交通等；预防非结构元素，如墙体、装饰物和设备的损坏，因为这些损坏可能会导致较大的经济损失和使用上的不便。此外，抗震设计还要考虑到结构与基础之间、结构与邻近建筑之间的相互作用，以及不同材料的地震性能。

1.3 抗震设计的目标

抗震设计的终极目标是确保建筑能够经受住地震的考验，保护人员生命安全，减少经济损失，并在地震后尽快恢复正常功能。为达到这一目标，设计者应综合考虑建筑的结构类型、地震区域的特点、地震动参数、土壤条件等因素，制定出合理的抗震措施和设计策略。这包括选择合适的结构形式，采用有足够抗震性能的材料，合理设置构造措施，如加强梁、柱的连接、设置隔震器等。此外，随着科技的进步和研究的深入，抗震设计的目标也在不断发展和完善，更加注重结构的性能基准、损伤容限和后震恢复能力，以满足社会发展和人们日益增长的需求。

2 市政建筑结构设计中抗震设计的原则

2.1 结构简单化

结构简单化是抗震设计中的基本原则之一。简洁的结构形式能够确保在地震作用下，建筑物受到的外部力更加均匀和可预测。复杂、不规则的结构往往导致受力不均，从而引起局部过度应力，加大结构的破坏风险。因此，设计时应力求使结构的质量分布均匀，避免大的质量偏移或质心与刚心的偏离。简单化不意味着牺牲功能或审美，而是在满足功能和审美要求的基础上，通过合理的布局和设计，达到结构上的简洁和均匀。

2.2 提高整体性

建筑结构的整体性是指在地震作用下，建筑各部分能够协同工作，共同承受地震动产生的内力。强调整体性的目的是确保结构在受到震动时，各部分能够同步变形，避免由于部分区域的过度变形而导致的局部损坏或整体失稳。为了提高结构的整体性，设计时应确保横向和竖向的刚度分布均匀，避免出现刚度的突变。此外，连接件的选择也至关重要，它们应具有足够的强度和韧性，确保在大的震动下仍能保持连接的完整性。结构的整体性不仅可以提高建筑的安全性，还可以在一定程度上减少地震引发的非结构损伤，降低经济损失。

2.3 增强抵抗性

抵抗性是指结构在地震作用下，能够有效地抵抗震动引起的破坏和失效。为了增强结构的抵抗性，设计者应确保结构具有足够的强度、韧性和冗余性。强度是指结构在受到地震动作用时，能够抵抗其造成的应力和变形；韧性则关注于结构在超出其弹性极限后，仍能够继续承受载荷而不发生破坏的能力；而冗余性则是指结构在某部分失效后，仍然有其他部分可以承受载荷，确保整体的稳定性。

3 市政建筑结构设计中抗震设计的方法和要点

3.1 抗震设计的方法

在市政建筑的抗震设计中，采用的方法主要分为两大类：静态方法和动态方法。静态方法基于建筑物在地震动作用下可能产生的最大静态荷载进行设计，常用于规模较小或地震影响较轻的建筑结构。动态方法则考虑到地震引发的多种震动模式，通过模拟地震动的时间历程来分析建筑结构的响应，适用于大型、复杂或位于地震高风险区域的建筑。随着计算机技术和软件的进步，非线性时程分析和随机震动分析等高级的动态分析方法也被广泛采用，提供了对结构在各种地震条件下性能的深入了解。

3.2 抗震设计的要点

(1) 抗震设计的要求

抗震设计，作为建筑设计中的一个重要组成部分，旨在确保建筑物在地震发生时能够有效地保护其内部的居住者和资产。首先，最基本的要求是保障人的生命安全，即确保建筑在大地震下不会出现倒塌或产生严重的结构损伤，从而造成伤亡。次之，抗震设计还要求在中度地震中，建筑结构的非结构元件（如玻璃、墙壁、天花板等）受损要最小化，以减少经济损失。此外，对于某些特定的建筑如医院、救援中心或政府机关等，这些建筑在地震后可能需要快速恢复并为社区提供服务，因此其抗震设计要求更为严格。

(2) 抗震设计的计算方法

为了确保建筑结构满足上述要求，工程师们采用了一系列精确的计算方法来评估和设计建筑物的抗震性能。其中，静态弹性分析方法通常用于小型或结构简单的建筑，此方法通过应用与地震相当的静态荷载来评估结构的响应。对于大型、复杂或高层建筑，通常采用动态弹性分析，如模态谱分析或时程分析。模态谱分析基于地震动的谱特性评估结构的动态响应，而时程分析则通过模拟地震动的时间历程来评估结构的整体响应。

(3) 抗震结构的计算

在对建筑进行抗震设计时，不仅要关注整体结构的行为，还需特别注意各个结构组件的设计，以确保其在地震中的良好性能。这涉及确定地震动参数（如地震动的强度、频率、持续时间等）、选择合适的结构类型和材料、以及设计细部的连接和节点。其中，细部的连接和节点设计尤为关键，因为它们在结构中扮演着“关节”的角色，直接影响到建筑在地震中的整体行为。为了确保安全，工程师需要进行详尽的计算，考虑到结构的每个部分和连接的强度、韧性及变形能力，并确保它们都能满足抗震设计的要求。

4 市政建筑结构设计中抗震设计的优化策略

4.1 提高施工选址的有效性

选址在市政建筑的抗震设计中占有至关重要的地位。有效的选址不仅关乎建筑的正常使用，而且涉及建筑在地震时的安全性。地质条件、土壤类型和地震活跃度都是决定选址有效性的关键因素。例如，避免在地震液化潜在区或滑坡敏感区域进行建设可以显著减少结构损坏的风险。地震动的强烈程度往往与地下土壤的性质有关，柔软的土层可能会放大地震的震动。因此，建议在坚硬的地基上进行建设或采取土工措施来改善土壤条件。此外，还可以采用现代的地震预测和评估技术，如微震监测、地震风险评估等，来指导选址工作，确保建筑位置的最佳选择。

4.2优化材料选取，改进设计方法

随着科技的进步，新的建筑材料和设计方法不断涌现，为抗震设计提供了更多的可能性。在材料选择上，轻质、高强度和高延性的材料，如高强度钢、纤维增强聚合物和预应力混凝土，可以为建筑提供更好的抗震性能。这些材料不仅重量轻，而且具有出色的能量吸收能力，可以在地震中减少结构的动态响应。同时，采用模块化或预制构件可以确保施工质量并提高建筑的整体性。从设计方法上看，现代的非线性动态分析、性能基准设计和随机震动分析等高级技术，使得设计师能够更准确地预测和控制建筑在地震中的行为。结合这些先进的材料和设计方法，可以进一步优化建筑的抗震性能，实现对地震风险的更有效管理。
4.3 优化抗震平面设计，完善抗震设计方案

抗震平面设计是建筑结构设计中至关重要的一个环节，因为在地震发生时，建筑的平面布局会直接影响其动态响应。一个均衡的、对称的平面布局可以使建筑在地震时产生的扭转和侧摆减少到最低。异形或不对称的建筑平面可能导致不均匀的质量分布和刚度，从而增加地震时的扭转响应。因此，优化抗震平面设计意味着要确保建筑的质量和刚度在平面上的均匀分布，避免大面积的开口或过长的悬臂结构。同时，连续的刚性核心墙和剪力墙的设置也可以提高建筑的抗震性能。完善的抗震设计方案不仅要考虑结构的响应，还需要考虑非结构元件，如玻璃幕墙、隔墙和天花板等，确保它们在地震中不会脱落或损坏，从而避免对人员和财产的威胁。

4.4 加强抗震防线设置，满足建筑抗震需求

抗震防线是指在建筑结构中设置的一系列元素和措施，旨在分散地震能量、限制结构的动态响应并防止结构的损坏。这些元素包括震动隔离器、能量耗散器和限位器等。震动隔离器可以使结构与地基之间产生相对位移，从而减小结构对地震能量的吸收；能量耗散器则通过其非线性行为来吸收和消耗地震能量；限位器则可以防止结构的过大位移。除了这些特定的元素，建筑的基础深度、地基条件和结构形式也都是抗震防线的一部分。

5 结语

市政建筑结构的抗震设计涉及多个层面，包括从基本原则到详细的计算和施工方法。随着技术的发展和地震风险的日益增加，为保障市民的生命财产安全，加强和优化抗震设计已成为当务之急。本文深入研究了这一领域的各个方面，提供了一系列具体而实用的建议和策略。希望这些研究能够为实践中的建筑设计者和决策者提供参考，帮助他们更好地应对地震带来的挑战，确保市政建筑的坚固与持久。

参考文献

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