建筑結構抗震設計探討3篇

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建筑結構抗震設計探討篇1

1抗震技術的概念

1.1抗震技術的原理地震災害的高強破壞力源于地球地殼中的巨大能量，這種能量可承載橫波、縱波向周圍傳遞擴散，促使地表建筑物遭受能量波的負面影響，隨即衍生出劇烈震動，破壞建筑物整體結構的穩定性、完整性。在地震災害下，因建筑物主體振幅與其阻力值具有聯動關系，即在阻力值低的情況下，建筑物對地震能量的抵消能力將降低，其振幅將增長，則可對建筑物造成嚴重損毀。對此，抗震技術的根本原理就是提高建筑物自體阻力，確保在地震災害發生后，其振幅可有效下降，以此減輕建筑物在地震中的損害。

1.2抗震技術的標準我國房屋建筑抗震技術標準如表1所示：

1.2.1甲類建筑甲類建筑就是常說的重大工程建筑項目，或是在地震災害影響下，可能出現嚴重損毀的房屋建筑。設計人員在圍繞甲類建筑展開房屋抗震結構統籌設計作業中，其抗震設防烈度應特殊超出當地規劃的標準指數。

1.2.2乙類建筑對于乙類建筑來講，在推進抗震設計工作時，若房屋建筑整體規模有限，設計人員則可秉持因地制宜原則，按照當地既定的抗震設防烈度要求，運用抗震性能更強的抗震結構，完成房屋建筑整體抗震設計。

1.2.3丙類建筑基于丙類建筑開展房屋抗震設計，設計人員同樣需著重滿足當地抗震設防烈度的具體要求，使建筑物可有力抵抗地震災害。

1.2.4丁類建筑設計人員在丁類建筑中執行抗震設計任務，抗震設防烈度可適當低于當地標準數值。但在抗震設防烈度已為6度的條件下，則不宜再降低抗震設計等級。

2抗震設計在房屋建筑結構設計中的現實意義

2.1加強建筑結構穩定性在房屋建筑結構設計作業中，為強化抗震設計效果。設計人員首要任務應為提高建筑結構的穩定性、安全性以及布局合理性，保證建筑物優質性能、功能的充分發揮。對此，應優先采用具備一定強度、延性、超長率的施工建材，增長建筑結構的完整性、建筑構件的“轉動力”及耗能水平[1]。此外，在房屋建筑布局方面，設計人員應科學設置安全避難場所、事故應急疏散逃生通道。確保在地震災害中，大眾能夠快速撤離建筑物內部。

2.2提升建筑的抗震能力目前，我國房屋建筑工程領域發展勢頭較為迅猛，設計人員在房屋抗震設計作業中，可靈活選用多元性科學技術，輔助抗震設計工作高效落實，如BIM模型等。精準篩選性價比、高質量、科學性強的抗震設計方案，增強建筑結構整體抗震性能，滿足房屋建筑日常使用的現實性要求。

3抗震設計在房屋建筑結構設計中的根本原則

在房屋建筑抗震設計作業中，設計人員應側重關注以下幾項要點：一是保證構件剛度、負荷承載力、延性等多方面的參數性能可契合建筑業統一規程。對于建筑結構中較為薄弱的部分，設計人員應禁止對該部分采用豎向性荷載力構建，提高房屋建筑主體抗震能力；二是需有機銜接各個構件。以“框筒結構”為例，應將框架科學結合于剪力墻結構，加之合規增設多重抗震防線。防止房屋建筑承受地震災害首次沖擊后，在余震中出現破損。而由于不同抗震防線能夠有效統一房屋建筑結構的延性及剛性，所以地震能量在短時間內快速被消耗；三是房屋建筑抗震結構內含大量強弱性不一的多樣性構件，當抗震防線被地震震動破壞后，為避免房屋建筑坍塌，應確保抗震結構的彈性適宜。

3.1整體統籌設計人員在房屋建筑結構設計中，應站在全局角度深度考量[2]。例如在高層建筑設計中，需強調結構的設計完整性，并依托結構水平方向完成分區，保障抗震結構中的各個子結構均可發揮抗震能力。

3.2結構清晰由于結構清晰性可關乎到房屋建筑在地震災害中的地震力傳導效率，因此，設計人員應突出結構清晰這一設計原則。在所建立的房屋模型發生模仿地震位移的前提下，細致分析其中內力薄弱位置的信息數據，并推出可行性預控措施。

3.3抵抗作用發生地震災害后，房屋建筑結構主體的剛度、抗震力將得到直接考驗。對此，設計人員應格外注意房屋建筑的結構剛性。保證結構主體可對來自各方向的地震震動起到防御抵抗作用，維持建筑結構總體平衡性，避免其出現形變、扭轉等問題，減輕地震災害對房屋建筑衍生出的破壞性。

3.4結構協調房屋建筑結構的均勻性、規則性可體現在建筑布局設計中，通常以縱向、垂直為主。設計人員應在抗震設計中突出“抗側移”方面的剛度，正當運用軸承特性，確保地震災害中房屋建筑的剛度可靠。

4抗震設計在房屋建筑結構設計中的應用措施

4.1科學設計房屋建筑結構房屋建筑結構的統籌設計作為建筑物修建的關鍵一環，是房屋建筑抗震能力發揮的基礎保證，也是迎合建筑物整體外觀造型需要的重要要素。房屋結構設計工作具有較強的復雜性、系統性特點，可觸及的專業領域眾多。設計人員將抗震設計引進其中的具體方法有：一是充分采集當地以往的地震災害歷史信息數據，在深層次分析數據資源后提出抗震設計核心方向及要求，以前瞻性的視角超前控制地震災害的危害性[3]；二是注重加強建筑主體的剛度、強度以及穩定性，優先使用“從簡設計”理念，對于不規則形態的構造需對應增設科學性保護措施；三是通過運用抗震結構，驅動房屋建筑自體結構抗震能力的增強。而關于非承力部分，可通過縮短體積實現建筑成本的節省。

4.2巧用剛度設計積極優勢房屋建筑結構的抗震設計需以剛度設計為支撐點。房屋建筑內設主軸可因內、外界的大力沖擊，產生結構不穩等不良問題。對此，剛度設計則需強調房屋建筑抗震能力的滿足，特別是針對“抗扭轉剛度”來講。為防止房屋建筑在遭受地震災害沖擊后，主體結構發生扭轉、變形等問題，維持建筑結構長期穩定性。則需設計人員對“抗扭轉”施以深度考量，踐行“小震不壞。中震可修，大震不倒”的設計觀念。適當強化房屋結構剛度，以此抵抗地震災害對房屋建筑位移的影響。并均勻分布各個房屋建筑構件，規避由于剛度不均，隨即衍生出地震力的聚集集中問題。確保房屋建筑總體剛度可符合施工設計規程，突出建筑抗震性能。除此之外，設計人員可通過正當使用“現澆構件”，以及在墻體內加設鋼筋、構造柱，提高房屋建筑的砌體空間剛度及穩定性，預防“滑移現象”發生。

4.3使用剪力墻的結構設計“剪力墻”作為我國房屋建筑領域常用的實效性抗震結構之一，其優點性能可充分契合高層、超高層建筑的抗震需要。正當使用可保證房屋建筑上層結構在地震災害中的基礎穩定性，延長上層結構坍塌、塌方時間，能夠向高層住戶爭取更可觀的疏散逃生時機。房屋建筑剪力墻結構設計如圖1所示：對于剪力墻的力學特征而言，可將該結構歸納于鋼筋混凝土一列，能夠對“力”伴生出的內應力荷載加以有力支撐。而剪力墻支撐原理則為水平力支撐，因其持有“連接梁柱”，可源源不斷的向房屋梁柱供給支撐力。因此，在輕微、小型地震外力作用下，剪力墻可發揮自身抗震性能，保障房屋建筑穩定性、完整性。

4.4規范建筑樓層數及高度現階段，我國房屋建筑領域部分設計人員陷入了思想誤區，錯誤認定建筑物樓程多、高度高，則可突出利益最大化。而站在科學角度分析，房屋建筑樓層多、高度高，其抗震性能將難以保障。因此，在房屋建筑設計中，應側重迎合作業區當地地質條件，并結合抗震要求。以地震頻發地區舉例，應謹慎建設高層建筑，優先采用低樓層、占地面積廣的設計方案[4]。這樣不僅可保證房屋建筑主體抗震能力，還可確保大眾能夠在地震災害發生后的第一時間迅速撤離。對此，設計人員應以當地地質現況、地方政策規定等硬性標準為基本遵循，合理確定房屋建筑高度及樓層數，發揮地震災害中的房屋抗震優勢。

4.5合規設計房屋建筑墻體當地震災害發生后，因地震產生的作用力將率先對房屋建筑的橫、縱墻帶來嚴重破壞，導致其出現破裂裂縫、變形傾倒等問題。常規情況下，“橫墻”承擔了建筑物承重墻的作用，在負擔地震震蕩力時，將直接對建筑主體穩定性產生負面影響，甚至催化建筑物倒塌事故發生。因此，合規設計房屋建筑橫、縱墻具有較強現實意義。另外，為有效優化房屋建筑抗震性，設計人員可采用“縱墻貫通”的結構布局，注重在橫、縱墻銜接部分增設構造柱，或是標準數量的配筋。

4.6建筑多重抗震設防設計設計人員在策劃房屋建筑抗震作業中，應著力加設多重抗震防線。采用延性表現良好的構件，以協同作業的形式抵抗、淡化地震力，或是應用贅余桿件自體特征的變形、屈服聚集吸收海量地震能量，以及依靠其退出及破壞工作，過渡房屋建筑結構的穩定性，驅動結構周期完成動態變化。進而規避共振效應的發生，減輕房屋建筑在地震災害中遭受到的破壞影響。而多重抗震防線有：一是一個保障有力的抗震體系。抗震體系往往由多個延性性能表現良好的分體系構成，并以延性結構構建的“互聯”協同作業。例如“框架”抗震墻體系為延性框架、房屋抗震前這兩個系統組建；“雙肢”、“多肢”抗震墻體系則由多個“單肢墻”構成；二是房屋建筑抗震結構體系的創建需著力強化內、外界的贅余度，設計系列“屈服區”，保證結構主體迅速耗散地震能量。在結構被破壞的前提下，同樣有益于結構修復。如在“框架”抗震墻體系設計中，設計人員應周全考慮“小震”、“中震”、“大震”后的房屋結構完整程度。確保在連梁喪失穩定作用后，主體結構依然具備承載力，保證“不倒”。此外，應將框架柱自體剪力設計在房屋建筑結構總剪力的兩成以上，突出房屋建筑抗震性能的良好表現。

4.7正當選用抗震建筑材料為保證房屋建筑能夠在地震災害作用下“安然無恙”，抗震設計則需提前介入到建筑物建設施工中。設計人員需依照房屋工程成本預算，優先選擇承重能力強、抗震性能佳的優質建材，以備抵御地震災害的強烈沖擊。在建材挑選作業中，設計人員應注重探明房屋建筑施工區的地質現況、以往引發當地地震災害的核心歸因，以調查結果作為施工材料科學選擇的參考憑證。常規情況下，我國房屋建筑抗震施工常用建材具有質地輕、抗性強、堅固性高、可塑性佳等特征。確保地震災害發生后，房屋建筑可維持自身完整性，或是被地震災害破壞的建筑構件，不會因墜落、脫皮等問題傷害大眾生命，突出房屋建筑在地震災害中的安全性。

4.8正確應用建筑隔震措施設計人員在主導房屋建筑抗震設計工作中，應以建筑工程總體規模、工程項目施工區地理條件等現況作為房屋抗震設計的基礎依托。并以其為依據，科學確定房屋建筑抗震裝置的安裝位置、安裝數量，保證這些抗震裝置可組建為“隔震層”，能夠在房屋建筑關鍵構件部位起到抗震效用。根據抗震層設置位置的差異，可將其劃分出地基、間層、懸掛、基礎隔震措施這四種類型。以地基隔震層為例，其基礎原理就是在房屋建筑底層與土層的接觸面中加設“緩沖層”，確保地震能量突破地殼向房屋建筑傳導時，緩沖層可起到吸收、反射、消減能量的功能作用。旨在減輕地震災害針對房屋建筑的沖擊影響，避免建筑主體結構被肆意破壞。當前，我國房屋建筑在施工地基防震層時，常以瀝青為主要施工建材。但可以預計，在我國房屋建筑抗震領域蓬勃發展的新時期下，隔震層的修建材料可得到多元創新，繼而切實優化房屋建筑抗震效果。然而在普遍認知中，地基隔震層常被定義為不安全、不穩定的房屋建筑塌方隱患，無法承受地震災害的強大沖擊。因此，設計人員在確定使用地基隔震層這一防震技術時，應深度考量其可對房屋工程建筑造成的系列不利影響，并加以應對處理。保障隔震層的隔震性能可在突發地震災害時得到充分發揮，保護大眾基礎性財產、生命安全。綜上所述，在我國地震災害頻發的新時代背景下，房屋建筑領域的抗震設計成效收獲到了社會各界的重點關注。對此，設計人員應側重秉持因地制宜這一根本性原則，針對我國不同地區的地質結構、災害特征、地理條件等基本要素，在房屋建筑結構設計中同樣采取不盡相同的抗震設計。滿足各地區的現實性房屋抗震需要，高度切合城市經濟健康發展規劃。從而在維護社會大眾地震災害中的合法性財產及生命安全的前提下，助力我國現代化建筑領域長遠發展。

作者:寧海永 單位:華紡房地產開發有限公司

建筑結構抗震設計探討篇2

2019年10月教育部印發的《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》指出，課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量，強調要解決好教與學的模式創新問題，強化現代信息技術與教育教學深度融合，要在2019年至2021年內認定1500門左右國家虛擬仿真實驗教學一流課程。隨著計算機和信息技術的快速發展，專業課程教學全過程實時引入虛擬仿真技術已經可以實現。虛擬仿真技術成為解決部分因高成本、高危險、不可逆而無法開展的教學實踐項目或大型綜合訓練項目的有效手段，可以充分調動學生課程學習和參與實驗的主觀能動性，顯著提升學生的學習興趣和潛能，增強學生解決復雜工程問題和創新創造的綜合能力。虛擬現實技術（VirtualReality，簡稱VR技術）是計算機技術融合多媒體技術、仿真技術、傳感技術等，通過在視覺、聽覺、觸覺等感官上逼真模擬環境和場景，讓使用者如同身臨其境，是人們通過計算機對復雜數據進行可視化操作與交互的全新方式[1]。VR技術作為一種全新的虛擬仿真試驗形式，因其特有的沉浸性、多感知性、交互性，必將對工程教育教學產生深遠的影響。

一、虛擬仿真技術在土木工程專業實驗平臺建設中的應用現狀

作為傳統工科專業，土木工程具有綜合性強、實踐性強、與工程實際聯系緊密的特點，但是土木工程專業實驗和實踐教學具有時空分布廣、工程參與方多、危險性高等特點，導致實踐教學成本極高、組織困難，使經費有限的院校在專業試驗和實踐教學方面達不到預期效果[2-3]。工程實踐能力培養作為工程教育的重要內容，不僅是檢驗教育成效的關鍵性指標，更是“新工科”培養解決復雜工程問題和具備創新創業能力的迫切要求。因此，為解決土木工程傳統理論教學與工程化培養之間的矛盾，實現理論教學與實踐教學緊密結合，土木工程專業應立足于推動教育信息化在培養學生創新和實踐能力方面的應用。教育部分別于2013年、2017年分階段開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心和示范性虛擬仿真實驗教學項目的建設工作。到2019年，土木類國家級虛擬仿真實驗教學中心有9個，獲批的土木類示范性虛擬仿真實驗教學項目達到13項。現代計算機信息技術在軟硬件上的快速發展，已經逐漸被應用到建筑教育等行業，包括建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）等技術。其中BIM、GIS技術已趨于成熟，在建筑、交通行業被推廣應用，并在土木工程教學過程中被廣泛研究。將BIM技術與VR技術融合，VR技術可以增強BIM應用效果，加強可視性和具象性，同時通過虛擬展示和交互操作，可以讓靜態知識轉化為動態的、可操作的知識，為學習者提供沉浸式體驗，激發學生的求知欲。但是VR技術仍然處于起步階段，尤其是在教育領域，局限于課程類型的差異，VR技術的應用有其自身的特點。

二、VR技術在土木工程教學中的應用現狀

相比發展較為成熟的BIM仿真技術，VR技術在土木工程專業教學中的應用很少，目前的研究主要是針對課程特點和教學內容進行可行性探索，仍未大量應用于課堂教學。陸海燕、鮑文博、王海軍等[4-5]自主開發了土建類專業BIM與VR仿真教學平臺，并探索與實踐了BIM與VR在CAD課程和土木工程施工課程中的創新教學模式。袁杰、趙倩怡、童華煒等[6]同樣將VR技術與土木工程施工教學相結合，以腳手架施工為例設計虛擬場景，并進行了教學實踐。鑒于VR技術在物理、化學等基礎課程實驗教學中已經有應用案例，李志新、徐開東、王繼娜等[7]對VR技術在建筑材料實驗教學中的應用進行了有益探索。此外，王培濤、任奮華、蔡美峰[8]創建了VR技術和3D打印技術“虛實結合”的教學模式與平臺，并將其應用于巖土工程課程教學中。VR技術在土木工程課程教學中的探索實踐表明，基于VR技術的虛擬仿真平臺可以解決學生現場實驗或實習面臨的實習資源短缺、高成本、高風險和長周期等不利問題，能夠激發學生的學習興趣，提高學生的實踐創新能力，促進師生間的良性互動，是新工科建設背景下土木工程教學改革的新突破。VR技術在土木工程教學中的應用目前主要偏向于實踐性較強的施工類課程，在其他專業課程尤其是結構設計類課程的教學應用中尚處于起步階段。魯正、龔依捷、周穎等[9]將虛擬仿真技術應用于建筑結構抗震課程教學，提出基于虛擬實驗的土木類專業課教育改革思路，但是該虛擬仿真實踐仍然停留在試驗演示階段，交互性和用戶體驗有待提高。由此可見，基于VR技術的土木工程結構設計類課程的教學模式探索勢在必行。

三、基于VR技術進行建筑抗震設計課程教學改革的必要性

建筑抗震設計課程是土木工程專業建筑工程方向的一門必修課，一般院校在大學四年級第七學期開設。該課程以工程地震知識和結構動力學為基礎，結合試驗研究和震害經驗，以抗震設計的基本概念和方法為重點，綜合了土木工程專業建筑工程方向所有的專業基礎課，對學生學習提出較高的要求，具有很強的綜合性。本課程的教學目標是使學生了解建筑結構在地震作用下的反應，掌握建筑結構抗震設計的基本原則，能夠進行建筑結構地震作用和效應的計算、抗震承載力和變形的驗算，掌握不同結構的抗震構造措施，使學生具備解決工程結構防災減災的素質、解決工程抗震設計和施工等方面問題的能力。目前該課程主要以傳統的講授式教學模式(lecturebasedlearning，LBL)為主，學生被動接受教師講課內容，參與度很低，屬于傳統的“填鴨式”教育。在傳統模式下，由于地震屬于自然災害，教師無法創造有效的實體體驗模型，學生對地震的認識只能從教師準備的PPT、視頻和口述中得到粗淺的認識，而不能從切身體驗中得到全方位的感知；而學生在掌握了抗震的基礎知識和計算方法后，對不同結構類型的建筑進行抗震設計，但是設計的結果是否能滿足建筑抗震要求，無法第一時間得到證實，如果不滿足抗震要求會導致何種嚴重后果，也無法進行個性化的展示。因此，為了提高建筑抗震設計課程的教學質量，有必要對課程的教學模式進行改革，真正將學生的理論學習與實踐學習相結合，將學生靜態知識轉化為動態可操作性知識，激發學生的求知欲，提高學生解決復雜工程問題的能力。將先進的仿真模擬技術、多媒體技術、信息化技術引入建筑抗震設計課程教學，構建一種多感知、可交互、沉浸式的虛擬現實教學模式，可以讓學生通過虛擬現實感知地震對建構筑物的震害影響，更加深刻理解建筑抗震設計對工程結構安全的重要性。

四、VR技術在建筑抗震設計課程教學中的應用方法探索

本文嘗試以VR技術為基礎，通過對建筑抗震設計課程中的知識點類型和知識點的重要性進行模塊化歸類，研究如何將課程各章節抽絲剝繭地分析后獲得適宜開展VR試驗的教學內容，以此探索VR技術在建筑抗震設計課程全過程教學中實現的可能性。

（一）建筑抗震設計課程教學內容模塊化分類山西大學土木工程專業建筑抗震設計課程的主要教學內容、學時和教學方式安排見表1所示。以VR實驗平臺建設為基礎，根據建筑抗震設計課程教學內容和教學大綱，對建筑抗震設計教學內容進行分類。如圖1所示，建筑抗震設計分為四個模塊。1.認知型模塊：主要指課程涉及的基本概念，包括地震的成因、地震波傳播特征、震級與烈度、建（構）筑物的震害特征、場地及其震害特征等。2.解析型模塊：主要指教學內容中的基本計算理論，包括場地類別的劃分、液化場地的判別、地震作用的計算方法等。3.深化型模塊：主要指具體建筑物的結構抗震設計方法與抗震構造要求，包括混凝土結構、鋼結構、砌體結構、隔振與消能減震等具體的抗震設計方法。4.綜合型模塊，主要是指完成建筑抗震設計課程學習之后，在大四第二學期的畢業實習和畢業設計中將會綜合性地應用本課程的學習內容，為此設立該綜合模塊為后續環節提供前期指導；同時該模塊將VR實驗群整合，為低年級學生的認識實習、生產實習等實踐環節提供平臺，讓低年級學生更早認識與理解抗震設計在整個建筑設計階段的重要性，為將來進入高年級專業課學習奠定感性認識基礎，增強學生的專業自豪感。通過課程模塊化劃分，實現了課程內容的分解，達到提煉并設計VR實驗教學內容的目標。

（二）構建建筑抗震設計課程VR實驗項目群以課程模塊化分類為基礎，提煉實現VR實驗教學的內容，構建建筑抗震設計課程VR實驗項目群。針對認知型模塊，將VR技術軟件與多媒體技術相結合，建立以從地震及其成因到建筑震害為主線的虛擬現實體驗式試驗項目群，即建立“地震及其成因→地震波傳播→地震對建筑和場地的破壞特征→地震烈度”的震害邏輯順序綜合虛擬場景，讓學生對地震及其引起的震害有直觀感受和認識。針對深化型模塊，將VR技術與有限元軟件倒塌計算模型相匹配，建立不同結構類型的結構內部或局部在地震作用下的受力、變形和震損特征虛擬場景教學模塊，即建立“建筑結構三維總體模型及倒塌模型→局部構件、節點，附屬結構破壞受力、變形和破壞”虛擬場景，讓學生從震害現象到破壞機理深刻理解各抗震設計內容和構造要求對建筑結構抗震性能的重要影響。針對綜合型模塊，可以將認知型和深化型模塊對應的試驗項目群各試驗內容設置參數變量與獨立入口。針對大四學生畢業實習和畢業設計，可以通過設置不同的設計參數、變量體驗場地和結構的抗震設計安全性，為畢業設計提供參考和依據；針對低年級學生，可以通過獨立入口，比如僅體驗認知型模塊中的地震成因、結構震害等，以加強他們對專業的感性認識。對于解析型模塊，因涉及理論計算教學內容，不適宜也無法開設虛擬仿真實驗教學。

（三）VR實驗項目在建筑抗震設計課程教學中的實踐與反饋將建立的建筑抗震設計課程VR實驗項目平臺應用于教學，基于學生反饋，逐步完善VR實驗教學方法和VR實驗教學平臺。課程教學參照教學大綱，根據教學進度和內容，適當安排2~4學時，學生分小組運用VR實驗平臺在課堂中進行探索性學習。教學要以學生為主體，教師通過學生評價獲取教學效果評級，同時對學生提出的意見進行課堂教學模式改進和VR實驗平臺改進。針對認識實習、生產實習、畢業設計和畢業實習，根據教學大綱，每個實踐環節安排1~2個VR試驗項目，試驗過程中同樣收集學生反饋意見以改進實踐教學模式和VR試驗平臺的用戶體驗性。隨著新工科和“一流本科”建設的推進，充分利用計算機和信息技術開展專業課程教學改革已勢在必行。土木工程專業作為傳統工科專業，產教融合在其人才培養過程中具有重要的作用。利用虛擬仿真技術，可以較好地解決實踐教學中遇到的實際困難，但是基于VR技術的土木工程教學實驗平臺建設仍處于探索階段。本文以建筑抗震設計課程教學改革為基礎，嘗試將VR技術引入教學過程并推廣至其他實踐環節，以改善土木工程結構設計類課程枯燥的教學模式，增強學生的學習興趣和參與度，提高學生解決復雜工程問題的能力，這對本校土木工程專業課程建設和人才培養改革具有重要意義。

作者:賈冠華 劉宏 冀慧 曹瑞東 郭智峰 單位:山西大學電力與建筑學院

建筑結構抗震設計探討篇3

近些年，我國高層建筑愈發普遍，其結構抗震設計原則主要依據“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三個設防標準，建筑結構的抗震設計主要通過兩個設計階段來實現結構抗震目標。建筑結構抗震設防第一階段主要是結構承載能力驗算，以地震動參數來計算建筑結構彈性地震作用標準值及其地震作用效應，并通過分項系數對建筑結構截面承載能力進行抗震分析，進而滿足小震不壞的抗震要求。建筑結構抗震設計的第二階段主要是結構彈塑性變形驗算，主要依據彈塑性層間變形對建筑不規則結構及特殊抗震要求的部位進行變形驗算，進而滿足建筑大震不倒的抗震要求。建筑結構中震可修的設防要求主要是根據建筑結構設防措施來實現的，其主要體現在建筑結構第一設計階段中。建筑結構抗震概念設計主要是指建筑結構抗震類型、地震剪力等內容，建筑結構抗震措施主要是指構件抗震等級分類等內容［1-9］。

1工程概況

工程項目總建筑面積為35144m2，其中地上建筑面積為29965m2，地下面積為5179m2，該建筑總高度約為64m，地下2層，地上18層。層高：地下一層5.58m，地下二層3.6m，地上一層至五層均為4.8m，六層至十八層均為3.6m。四層、五層電影院為大跨空間結構，跨度為25m×25m，根據我國現行建筑抗震設防標準，該地區地震的基本烈度約為8度，地震加速度0.20g，建筑場地類別為Ⅱ類，地震設計分組第一組，阻尼比取0.05。建筑主體結構的基本風壓取值為0.45kN/m2，基本雪壓取值0.40kN/m2。該建筑設計使用年限為50年，抗震設防類別為丙類，建筑安全等級為二級，主體結構形成以框剪為主，四層、五層的電影院結構采用型鋼混凝土框支柱結合形式。建筑物東西長度約為70m，南北長度約為60m，首層至五層主要為建筑裙房，建筑抗側立剪力墻結構主要分布在南北樓梯核心區，多數柱子截面尺寸為800mm×800mm，轉換框支柱截面為尺寸800mm×1000mm，并且適當加寬框架梁，提高建筑室內凈高。

2結構超限設計

2.1地基基礎設計根據本工程項目的現場地質勘察報告結果可知，該區域地下水可能會腐蝕混凝土，并對鋼筋具有弱腐蝕性。該區域地下水可以通過采取抗浮措施，例如埋深方式采用高水位0.5m、正常水位-1.5m的方式進行，并且本項目施工場地在地下20m內未發現全新的砂土等土層，所以，該建筑基礎不會出現地基液化的現象。本工程地下埋深為9.3m，地下建筑防水等級為一級，地下室外墻、筏板基礎底板的抗滲等級為P8，同時，地下室防水混凝土外部、筏板基礎底部另鋪貼相應的防水材料。該項目地下室長度約為100m，通過采用設置后澆帶的措施，解決該工程混凝土大體積施工產生溫度應力的問題。此外，本項目的基礎采用樁筏基礎，設計安全等級為二級，依照常用的樁基礎進行設計，主樓的基礎底板厚度為1200mm，地下車庫的底板厚度為700mm。根據現場地質勘察報告對樁基進行設計，其主樓采用鉆孔灌注樁，樁長54m，樁徑700mm，混凝土強度等級C40，單樁自身承載力設計值為4500kN。地下車庫的樁基采用預制樁，樁長25m，樁徑400m，混凝土強度等級C30，并且地下車庫部分樁基同時具有承受壓力和拉力的現象，因而其單樁自身抗壓承載設計值為800kN、抗拔承載能力設計值為500kN。

2.2上部結構超限設計依據現行的建筑抗震設計標準及高層建筑工程抗震設防技術要點，本工程中主要包括局部樓板不連續、扭轉位移比、抗側立構件不連續三種一般不規則情況，并且該建筑單體采用裝配式建筑工藝，其建筑抗側力構件所受到的傾覆力矩占建筑總傾覆力矩的40%。此外，該建筑總高度大于60m，依據上海市預制混凝土建筑結構的相關規范中，本工程屬于平面特別不規則、立面不規則的上部超限結構。

2.3不規則結構采取措施本項目屬于平面特別不規則、立面不規則結構，通過分析手段提高建筑結構的安全可靠性，具體措施如下：第一，在建筑處于地震帶的情況下，利用彈性時程分析法進行補充計算，利用振型分解反應譜法對結構底部、層間剪力、層間位移進行比對；第二，在計算模型中，將凹角區域等平面不規則的樓板依照彈性板考慮，提高其配筋率；第三，對結構進行罕遇地震受力分析時，利用動力彈塑性分析法識別結構剪力墻的應變等級，進而判別結構的破壞形態；第四，提高結構豎向構件的抗震等級，盡量減少構件之間的剛度差異。

3建筑結構設計

3.1建筑小震指標控制本結構通過利用YJK-A和MIDASBUILDING兩種軟件對整體結構進行計算對比，兩種計算軟件中各類構件的周期位移偏差均滿足現行標準規定，建筑結構主方向動力特性滿足要求。建筑結構各個構件均未出現超筋的現象，建筑整體及各個構件剛度均滿足建筑彈性階段的要求，未出現明顯的薄弱層。高層建筑的承重墻、柱所受的荷載較大，地震時，結構底部的震感較為明顯，因此應對結構軸壓比進行限制，例如采用小間距井字復合箍的方式，并且通過在剪力墻中部設計型鋼來進一步提高建筑結構整體的抗彎、抗剪的能力，最大程度地提高建筑延性。本建筑彈性時程分析在滿足地震加速度的曲線三要素外，還保證各條地震波基地剪力滿足相應規范的反應譜，進而得到地震效應系數，為建筑在多遇地震情況下提供最佳性能，滿足建筑小震不壞的設計要求。

3.2建筑中震、大震的指標設計本工程的抗震設計烈度不考慮構件承載能力系數調整、荷載分項系數，結構不屈服驗算不考慮風荷載與地震效應的組合等，結構等效彈性驗算時，不考慮抗震等級的影響。建筑結構在遭遇大震時，結構阻尼比取值0.07，連梁剛度折減系數取值0.3，周期折減系數取值1.0，并且在中震時取小震與大震的均值進行驗算。通過電算，本項目各個構件在中震條件下的承載能力完全滿足建筑抗震設計要求。為了進一步研究剪力墻結構在中震受拉的情況下，對建筑結構墻肢的最大拉力、力矩進行驗算，進而判定構件雙向偏心受拉的截面，如果截面拉力作用點在縱向鋼筋包圍面積之外，則力矩與拉力之比超出墻肢面積h/2-αs時屬于大偏心受拉，未超出時為小偏心受拉。本工程剪力墻墻肢的最大拉應力為2.3MPa，混凝土強度等級為C60，剪力墻墻肢協同工作后，拉力水平降低，則不需再增設型鋼來提高剪力墻墻肢的抗拉性能。此外，結構部分構件在小偏心受拉破壞時，混凝土未充分發揮其作用，進而需將剪力墻墻肢的最小縱筋配筋率提高20%，保證剪力墻墻肢不會發生破壞。

4動力彈塑性時程分析

4.1結構差異對比本項目采用SAUSAGE2020軟件進行地震結構動力彈塑性時程分析。分別選取一組天然波和人工波，結構主方向的最大加速度為220cm/s2，次方向最大加速度為180cm/s2，地震的有效時間不小于結構周期的5倍，單條波剪力滿足抗震規范譜要求，地震波組的特征周期大于0.50s。在建筑彈塑性模型中，剪力墻特殊部位的縱向鋼筋配筋率依照0.40%計算，其余部位的縱向鋼筋配筋率按0.30%計算，此軟件僅考慮地上結構部分，YJK-A與SAUSAGE2020計算軟件中建筑結構前3個周期質量對比如表1所示，可以得出結構的自振周期相差較小，主要是SAUSAGE2020軟件中未減去梁、柱、板等重疊部分的質量，進而產生相應的差異。

4.2彈性與彈塑性結果對比在建筑大震的情況下，從主方向彈性與彈塑性基礎底部的建立時程分析法中可以看出，建筑結構不斷損傷后，結構的整體剛度逐漸降低，建筑周期逐漸增長，結構進而進入到彈塑性階段。

4.3結構連梁損傷分析本工程對搭接的樓面框梁進行加強，但型鋼混凝土連梁截面的壓損程度明顯低于普通混凝土連梁，連梁在型鋼混凝土加強后，鋼筋最大應變集中于加強處與普通處的截面部位，連梁的普通段其損傷程度較大，鋼筋應變介于0.65~0.85倍的屈服應變，該結構通過阻尼耗能，建筑整體進入彈塑性程度，其耗能主要以連梁為主，與理論設計相符。

5結語

綜上所述，本建筑結構主要屬于局部樓板不連續、扭轉位移比、抗側立構件三項一般不規則的高層建筑。本文主要對建筑結構設計的薄弱部位進行了有效處理，最大程度降低了上部超限帶來的影響，滿足了建筑結構的抗震需求。利用YJK-A與SAUSAGE2020軟件，對本結構進行抗震性能分析，得出結構小震時，各個構件應力均未超過設計值，且構件變形滿足要求，大震下彈塑性變形可以控制在規范以內，達到小震不壞、大震不倒的目的。此外，通過相應結構抗震措施，滿足結構中震可修的要求，保證結構整體的安全，提供最優的抗彎能力，滿足現代建筑抗震設計標準的設計要求。

作者:吳化偉 單位:山西省建筑設計研究院有限公司