建筑结构抗震设计与优化研究

1 建筑抗震设计的核心原则

安全性是建筑抗震设计的首要任务 , 而保证建筑结构安全性的核心就是建筑物应具备足够的抗震能力, 做到小震不坏，中震可修，大震不倒。除了安全性,抗震设计还要考虑到建筑的功能性。即便在中等强度的地震作用下 , 建筑仍应保持基本的功能和运营能力, 不应出现严重的结构损坏, 影响建筑的正常使用。另外，经济性则是设计过程中必须平衡的一个因素。抗震设计不仅要确保建筑的安全性与功能性 , 还要考虑到设计、施工和维护的成本 , 以实现经济上的可行性。

2 建筑结构抗震设计

2.1 结构体系优化

(1) 混合结构体系。将新型材料与传统材料相结合，构建混合结构体系，就能充分发挥新型材料与传统材料各自的优势，提高结构的抗震性能，如 FRP与混凝土组合结构、SMA 与钢材组合结构等。FRP 约束钢筋混凝土柱与普通钢筋混凝土柱相比，其极限承载力可提高 20%-50% ，延性显著增强。在经济成本方面，据相关项目实践，采用 FRP 进行混凝土结构加固，安装成本约为传统加固方法的 70‰ 。SMA 与钢材组合结构，在一些地震频发地区的小型建筑试点项目中，相较于普通钢结构，震后修复成本降低了 40%-60% ，综合成本在长期使用中具有一定优势。通过对其进行合理的设计和连接，实现材料的协同工作，提高结构的承载能力和抗震性能。(2) 隔震结构体系。隔震结构体系是一种通过在建筑物底部设置隔震装置，将建筑物与地面隔开，减少地震能量向上传递的结构体系。在隔震结构体系中，可以采用新型的隔震材料和装置，如形状记忆合金隔震支座、高性能橡胶隔震支座等，提高隔震效果，减小结构的地震响应。(3) 消能减震结构体系。消能减震结构体系是一种通过在建筑物中设置消能装置，消耗地震能量，减小结构振动响应的结构体系。在消能减震结构体系中，可以采用新型的消能装置，如形状记忆合金阻尼器、高性能黏滞阻尼器等，提高消能效果，减小结构的地震响应。

2.2 创新基础设计

针对复杂地质条件，创新性的基础设计显得尤为重要。对于不均匀土层，可以采用变刚度桩基、复合地基等设计手段，通过调整桩基的刚度和分布，来适应土层性质的变化，确保基础的均匀沉降。在岩溶地区，桩基穿越空洞的设计不仅可以提高地基的承载力，还能有效避免空洞上方土壤的坍塌风险。而在断层活动区域，设置隔震层或采用滑动支座等减震技术，可以有效的隔离地震波对建筑物的直接作用，减少地震对建筑物的破坏。这些创新性的设计思路和技术手段，都是基于对地质条件的深入理解和分析，旨在提高建筑物的基础稳定性和安全性。

2.3 地震倾覆弯矩

地震倾覆弯矩是指在地震等外部力作用下，剪力墙抵抗倾覆作用的弯矩。地震倾覆弯矩主要用于计算在地震荷载下建筑结构的稳定性和承载能力，通过计算和分析地震倾覆弯矩可以确保剪力墙在地震等极端条件下具有足够的承载能力，倾覆弯矩约 80%～90% 由剪力墙承担，沿高度分布较均匀，底部加强区弯矩集中。从而提高建筑物的结构稳定性，是剪力墙设计中十分重要的一个参数。

3 建筑结构抗震优化措施

3.1 优化设计建筑结构

在建筑结构设计应用减震技术的过程中，为了切实发挥出减震技术的应用效果，提高建筑整体的安全性和稳定性，除了要做好对工程建筑场地的合理选择外，同样需要针对本次工程项目中的建筑结构进行设计优化。基于建筑结构的设计优化，实现本次工程中减震效果的有效提升。具体来看，工作人员需要重点把握工程项目的结构平面与结构竖向情况，对其进行科学合理地布置。实践中，需要从三个层面切入。首先，在进行建筑结构设计优化时，设计人员需要把握好具体原则，采取平面简单化与规则化的设计方式。之后，确定建筑结构中的两个方面，针对抗侧力构件进行对称设计，以此来保证其中刚心与质心彼此之间可以达到相互重合的效果。其次，在竖向构件设计中，需要使其能够伴随着高度的连续性和均匀性发生改变，并重点避免其中出现侧向刚性突变问题与承载力突变问题，防止引起变形情况。最后，设计人员需要避免出现头重脚轻的设计形式，放置出现应力的集中问题，规避其出现扭曲的问题，以此造成了建筑结构刚度的削弱。

3.2 应用实时结构健康监测系统

系统通过布置一系列传感器来持续监测建筑的振动、位移、应变、温度等物理量。这些传感器可以是加速度计、光纤传感器、应变计等 , 能够实时捕捉建筑在地震波作用下的各类响应。加速度计能够记录建筑在不同频率地震波下的振动幅度和周期；光纤传感器可以通过测量微小的应变变化来实时反映结构的损伤状况；传感器的数据通过无线网络传输至集中监控平台 , 监控平台采用高性能的计算设备和算法对数据进行实时处理 , 生成结构健康状况报告。该报告能够在地震发生后立即提供建筑物的损伤评估, 及时指出潜在的危害区域。

3.3 精细化地质勘察

精细化地质勘察是复杂地质条件下建筑结构设计的基础。这一过程不仅仅依赖于传统的钻探方法，还需要结合现代物探技术（如地震波反射、电阻率成像等）以及地质雷达、无人机航拍等高科技手段，以实现对地质条件的三维可视化分析。通过高精度钻探，可以准确获取不同土层的物理力学参数，包括土壤密度、含水率、压缩模量等关键数据。而物探技术则能揭示地下隐伏构造，如断层、岩溶空洞等，为设计提供更全面的地质信息。这些数据的综合应用，有助于设计团队准确判断地质条件对建筑物的影响，从而制定出更加科学合理的设计方案。

3.4 隔震支座维护

其一，在隔震支座实际使用的过程中，需要工作人员对隔震支座的健全完善检查计划、维护技术进行制定，并同时组织专业人员队伍，对隔震支座的外部情况和变形情况进行定期观察。其中，重点关注是否存在障碍物的影响，进而导致了隔震支座的上部结构出现位移问题，针对此类问题需要对障碍物进行及时清除。其二，观察隔震支座中预埋件的情况和螺栓的情况，重点关注预埋件与螺栓是否达到了紧固连接的效果，以及同时观察防腐层的情况，判断防腐层中是否出现了破损问题，以及针对梁柱的中心轴线进行复测，并在允许范围内对偏差进行控制。其三，当建筑遭遇到了地震后，需要组织人员针对隔震装置做好全面、系统地检查分析，在检查与分析中判断在隔震装置中是否出现了结构损坏以及性能损害的问题。一旦出现了问题，需要工作人员及时做好隔震层的改装与加固处理，同时落实专项设计，对施工方案进行合理编制。

结语

综上所述，随着我国现代建筑工程领域的不断发展，科技技术的不断进步，结构计算与设计软件的不断更新，针对建筑工程结构设计中的抗震设计提出了更高的要求，抗震设计是十分重要的一项内容，有着极为关键的价值和意义。为此在建筑结构抗震设计中，为达到更理想的效果，还需要切实做好隔震减震技术的应用，以此来实现建筑的整体优化，助力我国建筑行业的更好发展。

参考文献：

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[2] 杨茜 . 建筑结构隔震与减震设计问题分析与措施探讨 [J]. 大众标准化 ,2023,(11):85-87.

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