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摘要：本文主意闡述针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展，工程技术人员在建筑结构设计过程中需充分运用抗震概念设计的优化准则及其相应的结构措施，以期达到安全、经济、适用，确保工程质量。
关键词：结构设计；抗震概念设计；抗震计算
有这样的说法，“地震本身不会杀人，而建筑会杀人”。坟川大地震中房屋建筑的震害情况，有些与唐山震害的情况有类似之处，特别是砌体结构房屋，如主体承重结构强度不足、预制板与竖向承重结构连接构造措施不当，房屋就会被震垮，图1为震区某教学楼的震后情形。海地建筑质量也是相当糟糕，地震中房屋几乎全部被摧毁，图2所示的情形随处可见。我们可以发现智利地震中伤亡人数相对较少，相关专家分析认为，原因有两个：一是居民住房多为平房或低矮的住房；二是没有“豆腐渣”工程。
一、地震中被毁房屋特点
对地震中被毁掉的房屋进行研究，可以发现，破坏比较严重的建筑有以下几种情况：
（1）沿竖向不规则建筑，破坏情况严重。不规则建筑物，尤其是沿竖向不规则的房屋建筑，破坏较严重。典型的有两类：一是结构底层为空旷结构，下部为薄弱层。结构底层为空旷结构的房屋大多底层为大开间框架结构，方便使用。房屋震害主要表现为底层倒塌、倾斜，原因是底层形成薄弱层，刚度和强度均不足；二是突出屋面的小塔楼结构。突出屋面小塔楼由于沿竖向质量和刚度的突变，易产生鞭梢效应，在地震中绝大部分受到损坏。
（2）钢筋混凝土结构未能实现“强柱弱梁”机制。震害总体情况表明，框架一剪力墙结构大部分基本完好或轻微破坏，未发现严重破坏，但有少数框架结构严重破坏或倒塌。框架结构的破坏形态大部分为柱上下端破坏，或框架梁、柱节点核心区剪切破坏或压酥。破坏形式为柱端屈服破坏，属“强梁弱柱”形式。都江堰某宾馆柱节点破坏，可看出节点区未按规范要求配置箍筋，主筋搭接不符合规范要求，梁柱节点核心区未按规范要求配置箍筋，节点区发生破坏。
（3）框架结构中楼梯间震害较普遍。地震中，框架结构中板式楼梯破坏严重。在有些倒塌破坏的房屋中，楼梯间本应成为重要的逃生通道，但却是倒塌破坏最严重的区域。
（4）框架结构填充墙破坏。填充墙破坏是框架结构最为常见的震害，坟川地震中也尤为突出。
（5）装配式楼盖破坏较严重。关于预制板结构破坏，在1976年唐山大地震中已有较多震害实例。地震区大量的砌体结构房屋中，普遍采用预制空心楼板，由于未按规范要求设计成装配整体式楼盖，地震中当墙体破坏或外闪时，导致楼板塌落，因而达不到装配整体式楼盖的作用。
二、抗震设计
为了提高房屋的抗震性能，我们在建筑结构设计的过程中，必须加强抗震设计。根据地震中被毁房屋特点，建筑结构抗震着重从概念设计、抗震计算与构造措施3个方面进行加强。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等方面保证抗震计算结果的有效性。
2.1概念设计
抗震概念设计，应从以下几个方面考虑：
（1）房屋平面布置要规则一结构力求对称。房屋外形不规则、不对称、凹凸变化尺度大，形心质心偏心大，同一结构单元内，结构平面形状和刚度不均匀、不对称，平面长度过长等，均不利于抗震。
（2）强度和刚度匀称。多层建筑应该使其各层之间强度和刚度匀称，如存在薄弱楼层，则该处就会成为地震力作用下的变形集中部位，从而使建筑物首先从该部位发生严重破坏，甚至整个建筑的破坏。例如：比较常见的底商住宅设计，底层为框架，上部为砖混住宅。底层框架抗侧移刚度比上层住宅抗侧移刚度小得多，底层是抗震的薄弱环节。为加强底部侧移刚度，在纵横方向都应按规范要求设置剪力墙，所以底层框架住宅正确的设计应该是底层框架剪力墙结构。
( 3) 结构超静定次数多。静定结构的杆件受力系统和传力路线单一，一根杆件的破坏，就使整个结构体系因此而失效。超静定结构在超过其荷载能力时，先使多余杆件发生塑性变形，消耗吸收一部分能量，而保证整个结构的稳定性，减少地震破坏。超静定结构次数多，则消耗地震能量也就愈多，建筑抗震性能越强。
( 4) 提倡采用“强柱弱梁”结构。为避免框架倒塌，提倡采用“强柱弱梁”框架结构而避免“强梁弱柱”。例如单一的框架结构，框架就成为唯一的抗侧力构件，那么采用“强柱弱梁”型延性框架，在水平地震力的作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的变形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。
(5) 选择耗能构件。力求水平构件吸收较多的地震力，先于竖向构件破坏，从而满足建筑物震后坏而不倒的要求。
( 6) 强构件的相互连接。多个构件有可靠的连接才能保证各个构件的强度充分发挥，才能更好地传递地震力，使各个构件都能充分地吸收地震力，提高整个构件的延性。构件连接不破坏，整个结构才能保证其整体性，各构件之间的连接必须可靠。
( 7) 避免出现薄弱楼层。多层结构中如出现薄弱楼层，地震时该楼层就会出现较大的塑性变形集中，而楼层刚度分布均匀的多层结构，相对基础而言底层成为整个结构的薄弱楼层。在确定结构方案时，要避免出现薄弱层，如有薄弱层时应该在结构上预以加强。
( 8) 形体突变部位加强。当建筑形体有突变部位时，应采取加强措施。
( 9) 填充墙的利用。砖砌围护墙和隔墙，嵌砌于框架之间，地震力作用时可减轻主体结构的破坏。但混凝土填充墙可能会造成框架比较显著的局部破坏，所以说砌体填充墙对主体结构抗震有有利和不利2种影响，应该在结构抗震时加以具体分析，同时要使隔墙和围护墙在平面上要对称均匀分布，以及沿竖向连续均匀分布。抗震规范规定：框架结构先浇框架后砌填充墙，底层框剪结构先砌墙后浇框架。
(10) 应用轻质材料。材料质量越小，地震力作用越小，所以在房屋的墙体、楼板框架隔墙、围护墙及房屋构件中应尽力选择轻质材料以减轻地震力的作用，提高房屋的抗震能力。
（11）设置多层防线。由于地震力作用具有一定的持续性、不确定性、复杂性，将在短时间内对建筑物进行多次冲击。所以建筑物只有一道抗震防线是不够的，该防线一旦破坏，对于接着而来的下次冲击，将造成建筑物的破坏。多设置抗震防线作为后备，就可以抵抗多次地震力作用，使人员能有较多时间离开建筑物，保证建筑物的最低限度的安全。
（12）改进加强楼梯间的设计，进一步提高楼梯间构件的安全度。如前所述，楼梯间本应是重要的逃生通道，但历次震害中，楼梯间倒塌破坏情况较多，需要引起我们进一步的重视。一方面，应加强楼梯间的构造措施要求；另一方面，在进行设计计算分析时，要对楼梯间构件进行更加详细的分析。
（13）进一步推广隔震技术，提高结构抗震性能。工程应用表明，在我国基础隔震建筑与传统的建筑相比，房屋建筑的工程造价增加5%-10%左右，而结构的抗震性能却可以得到明显提高。因此，从结构的整个生命周期看，尽管基础隔震建筑增加了5%一10%的工程造价，但它带来的效益远远大于所增加的投资。
2.2抗震计算与构造措施
2.2.1抗震计算
各类建筑结构的地震作用，应按下列原则考虑：
（1）一般情况下，应允许在建筑结构的2个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
（2）有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
（3) 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
（4）8度、9度时的大跨度结构和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。
底部剪力法和振型分解反应谱法是结构抗震计算的基本方法，而时程分析法作为补充计算方法，仅对特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑才要求采用。
抗震计算方法的采用应符合：
（1）高度不超过40 m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。
（2）除第1条外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。
（3）特别不规则的建筑（凹凸、扭转、楼板局部不连续及竖向不规则等）、甲类建筑和烈度、场地内限定高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
2.2.2构造措施
混凝土结构，一般是通过钢筋混凝土构件截面高宽比限值、最小配筋率要求、承重柱轴压比来控制。砖混结构，常见构造措施是限定房屋总高度和层数层高；在纵、横墙中设置钢筋混凝土构造柱、圈梁；房屋的高宽比、横墙间距局部尺寸进行限值控制；设置防震缝等。修订后的抗震设计规范中增加了强制性条文，突出屋顶的楼、电梯间、构造柱应伸到顶部，并与顶部圈梁连接，内外墙交接处应沿墙高每隔500mm设2根通长拉结钢筋。拉结填充墙参与整体结构受力，且对结构刚度有较大影响，在设计中应充分考虑。
三、结语
综上所述，建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的过程，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿整个过程，而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标，因此如何准确、合理地运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，对于不同的建筑，不同的情况应区别对待，从而寻求最合理设计方法。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：结构设计；抗震概念设计；抗震计算
有这样的说法，“地震本身不会杀人，而建筑会杀人”。坟川大地震中房屋建筑的震害情况，有些与唐山震害的情况有类似之处，特别是砌体结构房屋，如主体承重结构强度不足、预制板与竖向承重结构连接构造措施不当，房屋就会被震垮，图1为震区某教学楼的震后情形。海地建筑质量也是相当糟糕，地震中房屋几乎全部被摧毁，图2所示的情形随处可见。我们可以发现智利地震中伤亡人数相对较少，相关专家分析认为，原因有两个：一是居民住房多为平房或低矮的住房；二是没有“豆腐渣”工程。
一、地震中被毁房屋特点
对地震中被毁掉的房屋进行研究，可以发现，破坏比较严重的建筑有以下几种情况：
（1）沿竖向不规则建筑，破坏情况严重。不规则建筑物，尤其是沿竖向不规则的房屋建筑，破坏较严重。典型的有两类：一是结构底层为空旷结构，下部为薄弱层。结构底层为空旷结构的房屋大多底层为大开间框架结构，方便使用。房屋震害主要表现为底层倒塌、倾斜，原因是底层形成薄弱层，刚度和强度均不足；二是突出屋面的小塔楼结构。突出屋面小塔楼由于沿竖向质量和刚度的突变，易产生鞭梢效应，在地震中绝大部分受到损坏。
（2）钢筋混凝土结构未能实现“强柱弱梁”机制。震害总体情况表明，框架一剪力墙结构大部分基本完好或轻微破坏，未发现严重破坏，但有少数框架结构严重破坏或倒塌。框架结构的破坏形态大部分为柱上下端破坏，或框架梁、柱节点核心区剪切破坏或压酥。破坏形式为柱端屈服破坏，属“强梁弱柱”形式。都江堰某宾馆柱节点破坏，可看出节点区未按规范要求配置箍筋，主筋搭接不符合规范要求，梁柱节点核心区未按规范要求配置箍筋，节点区发生破坏。
（3）框架结构中楼梯间震害较普遍。地震中，框架结构中板式楼梯破坏严重。在有些倒塌破坏的房屋中，楼梯间本应成为重要的逃生通道，但却是倒塌破坏最严重的区域。
（4）框架结构填充墙破坏。填充墙破坏是框架结构最为常见的震害，坟川地震中也尤为突出。
（5）装配式楼盖破坏较严重。关于预制板结构破坏，在1976年唐山大地震中已有较多震害实例。地震区大量的砌体结构房屋中，普遍采用预制空心楼板，由于未按规范要求设计成装配整体式楼盖，地震中当墙体破坏或外闪时，导致楼板塌落，因而达不到装配整体式楼盖的作用。
二、抗震设计
为了提高房屋的抗震性能，我们在建筑结构设计的过程中，必须加强抗震设计。根据地震中被毁房屋特点，建筑结构抗震着重从概念设计、抗震计算与构造措施3个方面进行加强。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等方面保证抗震计算结果的有效性。
2.1概念设计
抗震概念设计，应从以下几个方面考虑：
（1）房屋平面布置要规则一结构力求对称。房屋外形不规则、不对称、凹凸变化尺度大，形心质心偏心大，同一结构单元内，结构平面形状和刚度不均匀、不对称，平面长度过长等，均不利于抗震。
（2）强度和刚度匀称。多层建筑应该使其各层之间强度和刚度匀称，如存在薄弱楼层，则该处就会成为地震力作用下的变形集中部位，从而使建筑物首先从该部位发生严重破坏，甚至整个建筑的破坏。例如：比较常见的底商住宅设计，底层为框架，上部为砖混住宅。底层框架抗侧移刚度比上层住宅抗侧移刚度小得多，底层是抗震的薄弱环节。为加强底部侧移刚度，在纵横方向都应按规范要求设置剪力墙，所以底层框架住宅正确的设计应该是底层框架剪力墙结构。
( 3) 结构超静定次数多。静定结构的杆件受力系统和传力路线单一，一根杆件的破坏，就使整个结构体系因此而失效。超静定结构在超过其荷载能力时，先使多余杆件发生塑性变形，消耗吸收一部分能量，而保证整个结构的稳定性，减少地震破坏。超静定结构次数多，则消耗地震能量也就愈多，建筑抗震性能越强。
( 4) 提倡采用“强柱弱梁”结构。为避免框架倒塌，提倡采用“强柱弱梁”框架结构而避免“强梁弱柱”。例如单一的框架结构，框架就成为唯一的抗侧力构件，那么采用“强柱弱梁”型延性框架，在水平地震力的作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的变形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。
(5) 选择耗能构件。力求水平构件吸收较多的地震力，先于竖向构件破坏，从而满足建筑物震后坏而不倒的要求。
( 6) 强构件的相互连接。多个构件有可靠的连接才能保证各个构件的强度充分发挥，才能更好地传递地震力，使各个构件都能充分地吸收地震力，提高整个构件的延性。构件连接不破坏，整个结构才能保证其整体性，各构件之间的连接必须可靠。
( 7) 避免出现薄弱楼层。多层结构中如出现薄弱楼层，地震时该楼层就会出现较大的塑性变形集中，而楼层刚度分布均匀的多层结构，相对基础而言底层成为整个结构的薄弱楼层。在确定结构方案时，要避免出现薄弱层，如有薄弱层时应该在结构上预以加强。
( 8) 形体突变部位加强。当建筑形体有突变部位时，应采取加强措施。
( 9) 填充墙的利用。砖砌围护墙和隔墙，嵌砌于框架之间，地震力作用时可减轻主体结构的破坏。但混凝土填充墙可能会造成框架比较显著的局部破坏，所以说砌体填充墙对主体结构抗震有有利和不利2种影响，应该在结构抗震时加以具体分析，同时要使隔墙和围护墙在平面上要对称均匀分布，以及沿竖向连续均匀分布。抗震规范规定：框架结构先浇框架后砌填充墙，底层框剪结构先砌墙后浇框架。
(10) 应用轻质材料。材料质量越小，地震力作用越小，所以在房屋的墙体、楼板框架隔墙、围护墙及房屋构件中应尽力选择轻质材料以减轻地震力的作用，提高房屋的抗震能力。
（11）设置多层防线。由于地震力作用具有一定的持续性、不确定性、复杂性，将在短时间内对建筑物进行多次冲击。所以建筑物只有一道抗震防线是不够的，该防线一旦破坏，对于接着而来的下次冲击，将造成建筑物的破坏。多设置抗震防线作为后备，就可以抵抗多次地震力作用，使人员能有较多时间离开建筑物，保证建筑物的最低限度的安全。
（12）改进加强楼梯间的设计，进一步提高楼梯间构件的安全度。如前所述，楼梯间本应是重要的逃生通道，但历次震害中，楼梯间倒塌破坏情况较多，需要引起我们进一步的重视。一方面，应加强楼梯间的构造措施要求；另一方面，在进行设计计算分析时，要对楼梯间构件进行更加详细的分析。
（13）进一步推广隔震技术，提高结构抗震性能。工程应用表明，在我国基础隔震建筑与传统的建筑相比，房屋建筑的工程造价增加5%-10%左右，而结构的抗震性能却可以得到明显提高。因此，从结构的整个生命周期看，尽管基础隔震建筑增加了5%一10%的工程造价，但它带来的效益远远大于所增加的投资。
2.2抗震计算与构造措施
2.2.1抗震计算
各类建筑结构的地震作用，应按下列原则考虑：
（1）一般情况下，应允许在建筑结构的2个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。
（2）有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。
（3) 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。
（4）8度、9度时的大跨度结构和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。
底部剪力法和振型分解反应谱法是结构抗震计算的基本方法，而时程分析法作为补充计算方法，仅对特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑才要求采用。
抗震计算方法的采用应符合：
（1）高度不超过40 m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。
（2）除第1条外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。
（3）特别不规则的建筑（凹凸、扭转、楼板局部不连续及竖向不规则等）、甲类建筑和烈度、场地内限定高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
2.2.2构造措施
混凝土结构，一般是通过钢筋混凝土构件截面高宽比限值、最小配筋率要求、承重柱轴压比来控制。砖混结构，常见构造措施是限定房屋总高度和层数层高；在纵、横墙中设置钢筋混凝土构造柱、圈梁；房屋的高宽比、横墙间距局部尺寸进行限值控制；设置防震缝等。修订后的抗震设计规范中增加了强制性条文，突出屋顶的楼、电梯间、构造柱应伸到顶部，并与顶部圈梁连接，内外墙交接处应沿墙高每隔500mm设2根通长拉结钢筋。拉结填充墙参与整体结构受力，且对结构刚度有较大影响，在设计中应充分考虑。
三、结语
综上所述，建筑结构的抗震设计是一个完整、系统的过程，从场址的选择到建筑物的结构设计，抗震设计贯穿整个过程，而且建筑物的抗震设计是衡量建筑结构设计是否符合要求的重要指标，因此如何准确、合理地运用不同的抗震设计方法，是非常重要的，对于不同的建筑，不同的情况应区别对待，从而寻求最合理设计方法。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。