建筑结构在极端荷载作用下的响应与防护措施研究

摘要：在全球气候变化与城市化进程加速的背景下，建筑结构面临着愈发复杂且频繁的极端荷载挑战。地震、飓风、暴雪、爆炸等极端荷载，犹如高悬于城市之上的 “达摩克利斯之剑”，随时可能对建筑结构造成毁灭性打击，危及人民生命财产安全，严重阻碍社会经济发展。深入探究建筑结构在极端荷载作用下的响应机制，研发行之有效的防护措施，已成为建筑工程领域亟待解决的关键课题。通过科学研究，能够提前洞察结构在极端状况下的薄弱环节，为设计优化与防护策略制定提供坚实依据，提升建筑结构的防灾减灾能力，为城市的安全稳定发展筑牢根基。

关键词：建筑结构；极端荷载；响应；防护措施

前言

建筑结构作为人类活动的重要承载空间，其安全性与稳定性至关重要。极端荷载以远超常规荷载的量级与突发性，考验着建筑结构的极限性能。从历史上诸多因极端荷载导致的建筑垮塌事故中不难发现，一旦结构在极端荷载下失效，带来的后果不堪设想。为应对这一严峻现实，对建筑结构在极端荷载作用下的响应展开研究，并据此构建全方位防护体系刻不容缓。这不仅有助于保障既有建筑在极端条件下的安全，更能为新建建筑的设计提供前瞻性指导，推动建筑技术的革新与进步，确保建筑结构在极端荷载威胁下依然坚如磐石。

1 建筑结构在极端荷载作用下的响应

在当今复杂多变的环境中，建筑结构时刻面临着极端荷载的严峻考验。极端荷载涵盖地震、飓风、暴雪、爆炸等多种形式，其作用下建筑结构的响应极为复杂，关乎结构的安全与稳定。当地震来袭，地震波携带巨大能量以水平和竖向两种方式冲击建筑结构。在水平地震作用下，结构产生水平位移与变形，如同被一只无形的巨手猛烈摇晃。建筑的楼层间位移增大，底层与薄弱层首当其冲承受较大剪力，导致结构构件如梁、柱产生弯曲变形与剪切变形。这种变形若超出构件的承载能力极限，梁、柱便会开裂甚至断裂。竖向地震作用则使结构产生上下颠簸，对大跨度结构和高耸结构影响显著，可能造成屋面构件脱落、高耸结构顶部晃动加剧，引发结构整体失稳。例如在一些强震地区，部分老旧建筑因无法承受地震产生的复杂变形，墙体出现严重裂缝，框架结构扭曲，最终导致建筑倒塌。飓风带来的强风荷载同样具有强大破坏力。强风作用于建筑外立面，产生巨大的风压[1]。迎风面承受正风压，背风面则形成负压，这种压力差使得建筑结构承受较大的水平推力。在高层建筑中，风荷载引发的水平位移随建筑高度增加而愈发明显，顶部位移尤为突出。结构在风荷载的持续作用下，会产生周期性振动，若振动频率与结构固有频率接近，便会引发共振现象，大幅放大结构的响应，导致结构构件内力急剧增大。以超高层建筑为例，在强飓风袭击时，建筑顶部的位移可达数米，幕墙玻璃因承受过大风压而破碎脱落，建筑内部非结构构件也会因剧烈振动而损坏。暴雪天气下，积雪荷载成为建筑结构的一大挑战。屋面是主要承受积雪荷载的部位，随着积雪厚度增加，屋面所受压力不断增大。当积雪分布不均匀时，会造成屋面局部荷载过大，使屋面结构产生变形。对于大跨度的轻型屋面结构，如一些体育馆、厂房的金属屋面，积雪荷载可能导致屋面塌陷。

2 建筑结构在极端荷载作用下的防护措施

2.1优化结构设计

在应对极端荷载时，合理的结构设计是第一道防线。从整体布局上，应采用规则、对称的结构形式，减少结构的扭转效应。例如，在高层建筑设计中，核心筒居中布置，使结构质量与刚度分布均匀，能有效降低在地震或风荷载作用下的扭转响应。同时，设置多道防线对提高结构的抗倒塌能力至关重要。以框架 - 剪力墙结构为例，地震发生时，剪力墙首先承担大部分水平地震力，当剪力墙出现破坏后，框架结构仍能继续承受荷载，保证结构不致瞬间倒塌。在构件设计方面，要充分考虑极端荷载下的受力特点。对于梁、柱等关键构件，通过增加配筋率来提高其承载能力与延性。在地震多发地区，梁端、柱端采用加密箍筋的方式，约束混凝土，增强构件的变形能力，使其在承受较大地震力时，能通过塑性变形耗散能量，避免脆性破坏。对于大跨度结构，如桥梁、体育馆屋盖等，采用合理的结构体系与构件截面形式。例如，悬索桥利用主缆和吊杆将桥面荷载传递到桥塔，合理设计主缆的截面尺寸与锚固系统，能有效承受巨大的竖向与水平荷载[2]。

2.2选用高性能材料

高性能材料的应用能显著提升建筑结构对极端荷载的抵抗能力。在混凝土材料方面，使用高强度、高耐久性的混凝土。高强度混凝土具有更高的抗压强度，能有效减小构件截面尺寸，在不增加结构自重的前提下，提高结构的承载能力。同时，在混凝土中添加纤维，如钢纤维、聚丙烯纤维等，可改善混凝土的抗拉性能与抗裂性能。在地震或爆炸冲击荷载作用下，纤维能阻止混凝土裂缝的开展与扩展，增强结构的韧性。对于钢材，选用低屈服点、高延性的钢材，可使结构在承受较大变形时仍能保持一定的承载能力。例如，在一些抗震设防要求高的建筑中，采用 Q345GJ 等抗震钢材，其良好的延性使结构在地震作用下能通过钢材的塑性变形耗散能量，避免突然断裂。此外，新型复合材料如碳纤维增强复合材料（CFRP）也逐渐应用于建筑结构加固与新建结构中。CFRP 具有强度高、质量轻、耐腐蚀等优点，可用于对既有建筑结构的梁、柱进行加固，提高其承载能力与抗震性能。在大跨度结构中，采用 CFRP 拉索代替传统的钢拉索，可减轻结构自重，提高结构的跨越能力与抗风稳定性。

2.3设置耗能减震装置

耗能减震装置是提升建筑结构抗极端荷载能力的有效手段。在地震作用下，常见的耗能减震装置有黏滞阻尼器、金属阻尼器和摩擦阻尼器。黏滞阻尼器利用黏滞流体的黏滞阻力消耗地震能量，其工作原理是当结构发生振动时，阻尼器的活塞在缸筒内往复运动，使黏滞流体产生剪切变形，从而将地震能量转化为热能消散。在高层建筑中安装黏滞阻尼器，可有效减小结构的地震响应，降低楼层间位移与构件内力。金属阻尼器则通过金属材料的屈服变形来耗散能量。例如，软钢阻尼器在地震作用下，软钢构件发生塑性变形，吸收地震能量，保护主体结构不受损坏。摩擦阻尼器利用摩擦片之间的摩擦力耗能，其摩擦力大小可根据结构需求进行调整。在桥梁结构中设置摩擦阻尼器，能有效减小地震作用下桥梁的位移，防止落梁事故发生。在风荷载作用下，调谐质量阻尼器（TMD）是常用的抗风装置。TMD 由质量块、弹簧和尼器组成，安装在建筑结构的顶部。当建筑在风荷载作用下发生振动时，TMD 的质量块通过弹簧与阻尼器的作用，产生与结构振动方向相反的运动，从而减小结构的振动响应，提高建筑的舒适度与安全性[3]。

结论

综上所述，本研究围绕建筑结构在极端荷载作用下的响应与防护措施取得了丰硕成果。通过理论分析、数值模拟与实验研究，清晰揭示了结构在不同极端荷载下的响应规律，明确了结构关键受力部位与薄弱环节。在此基础上，提出了一系列针对性强、切实可行的防护措施，涵盖结构设计优化、材料性能提升、耗能减震装置应用等多个方面。这些成果在实际工程应用中，可显著提高建筑结构的抗极端荷载能力，降低灾害损失。

参考文献

[1]陆琪芳， 唐俊. 探究民用高层钢筋混凝土建筑结构设计[J]. 建材发展导向， 2025， 23 （05）： 7-9.

[2]杜海云. 建筑荷载对基坑结构变形及内力的影响分析[J]. 砖瓦， 2024， （11）： 120-122+126.

[3]周正山， 张斌伟. 不同降雨条件下黄土建筑边坡稳定性研究[J]. 中国建材科技， 2024， 33 （05）： 66-71.