建筑抗震设计丨清华大学建筑设计研究院有限公司第六分院结构所

地震，是大自然最狂野的一面。建筑的倒塌，是地震灾难中最大的灾害之一。地震对建筑的破坏作用主要有三种因素：振动破坏、地基失效破坏、次生效应破坏。今天我们所讨论的破坏形式主要为第一种，即振动破坏。接下来，我们就来回顾一下：

一、历史中因地震而倒塌的高层建筑

1、1985 年墨西哥城大地震，矩震级 8.3 级

Pino Suárez 住宅区一幢 21 层的公寓楼在 3 层高度处由于钢结构框架的箱形截面柱和桁架梁之间的梁柱节点发生了脆性破坏后折断，然后砸在了紧邻的一幢 14 层的公寓楼上。两栋高层公寓楼均为钢框架结构。

2、1995 年日本阪神大地震，矩震级 6.8 级

一栋 9 层的钢筋混凝土剪力墙结构整体倾倒，砸到街道对面的建筑物之后横亘在马路上。

阪神大地震另一栋发生了类似中间层破坏的高层建筑。地震给人类带来的创伤是毁灭性的，历史上由地震所引发建筑严重损坏的例子比比皆是。“列宁纳坎预制板钢筋混凝土框架结构的 9 层楼房几乎 100%倒塌。”——1988 年亚美尼亚 7.0 级地震。“这次地震使 9 万幢房屋和 4000 栋商业大楼倒塌，6.9 万幢房屋受到不同程度的损坏。”——1990 年伊朗 7.7 级地震。“整个震区 2 万余幢建筑受损，包括医院、学校和办公大楼。”——1992 年土耳其 6.8 级地震。“此次地震中 18 万栋建筑物遭破坏，1.2 万间房屋彻底被毁。”——1995 年日本兵库县 7.2 级阪神地震。“巴控克什米尔拉瓦拉克特地区，许多土坯房屋在地震中坍塌，有几个村子被彻底夷为平地。”——2005 年巴基斯坦 7.8 级地震。

地震总是伴随着毁灭和死亡，人类对于地震的恐惧难以磨灭，然而人类的天性不是向灾害妥协，而是要战胜灾害。一代代工程师在探索与追寻的过程中不断进步，现如今已经总结出了一套完整且成熟的抗震理论体系，并且拥有严格的设计施工标准。

接下来让我们追随工程师们的脚步，看看建筑到底是如何抗震的。

二、建筑的抗震设计

1. 地震是如何作用于建筑的

这个问题过于复杂，咱们给它讲通俗一些。

地震，顾名思义，就是大地发生了周期性的，毫无规律的震动。于是这个震动就会带动建筑的基础一起震动。然而基础被大地强制性的牵动位移，地上建筑会随基础运动，所以地上建筑就被柱子、墙等竖向构件拽着一起摇晃，从而由于自身质量产生了惯性力。而这也就是俗称的地震力。

2、我们是如何进行抗震设计的

目前的抗震设计主要是利用建筑自身刚性来硬抗地震力。在这里就简单介绍一下在结构设计过程的每一个步骤中，我们是如何考虑抗震的。

方案设计阶段

方案设计阶段是建筑设计的第一步。在这个阶段，结构工程师的工作主要是为建筑师提供咨询。建筑的体型、平立面规则度、高宽比等因素对建筑抗震性能至关重要。建筑师负责建筑的美学与人文关怀，追求艺术风格和参差百态；而结构师则负责建筑的安全与稳定，保障建筑在极端的条件下都屹立不倒。当两者调和一致，方案定下时，就进入初步设计阶段。

初步设计阶段

初步设计阶段的基本目标，是让结构的基本设计指标都达标，其中就包含抗震指标。首先是选取最优的结构形式，如框架、框架-核心筒、剪力墙、筒中筒等，然后根据不同地区的不同抗震烈度等级进行有限元分析计算、优化构件尺寸。

施工图设计阶段，就是深化初设的图纸。细化到每一个节点，每一根钢筋，每一条焊缝。规范中对结构具有严格的构造要求，例如：截面尺寸要求，配筋要求，抗震缝，强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件，安排大震下的结构破坏顺序以吸收地震能量从而保护侧向构件等。如此严格的规范保障了有限元计算之外的安全指标，在多道设防下保障地震中的主体结构安全。

以上介绍的就是目前应用最为广泛的抗震设计，此外还有更为精巧的减震和隔震设计，为建筑的主体结构减轻抗震压力：

①耗能减震设计：在结构某些部位增设耗能（阻尼）装置，通过该装置产生弹塑性滞回变形从而耗散或吸收地震能量，从而减小主体结构的抗震压力；

②隔震设计：在建筑物上部结构与基础之间或及上部建筑层间设置隔震层，通过耗散地震能量及增大结构自振周期以减小主体结构的抗震压力。

接下来让我们来看看几个利用了上述抗震措施的高层建筑：

三、典型抗震建筑案例

1、中国尊

# 关键词：利用刚性硬抗地震

中国尊

中国尊位于北京市东三环，是建立在 8 度抗震设防烈度区域的世界最高建筑，建筑总高 528 米，共取得 8 项世界之最，是无数建筑师和工程师共同努力下的工程奇迹。

中国尊主要结构体系是筒中筒结构，由外框筒和核心筒组成。其中外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成；核心筒由剪力墙组成，为抗震性能提供了巨大的侧向刚度。

2、耗能减震设计——同济大学土木大楼

#

关键词：耗散地震能量

同济大学土木大楼

同济大学土木大楼为 7 层钢框架结构，采用组合消能减震支撑体系，在国内是首次在全钢结构建筑中应用。本体系作为梁柱间的支撑，可增加结构刚度和阻尼，通过橡胶支座和粘滞阻尼器组合消能，小震时一橡胶支座为主，大震时以粘滞阻尼器为主。

粘滞阻尼器

3、隔震设计

# 关键词：增大结构固有周期——犹他州政府会议大楼

犹他州政府会议大楼

犹他州政府会议大楼于 2007 年完工，基础之上安装有橡胶隔震支座，这些支座类似滑动支座，可以吸收和耗散地震能量，减轻地震能量向上部结构传递；同时也可以增大建筑的固有自振周期，以避免在地震中与地震波形成共振从而造成更大的损坏。

——南加州大学医院

南加州大学医院

1994 年洛杉矶发生了 6.7 级地震，而南加大医院得益于其隔震结构，在这场地震中几乎毫发无损。

隔震原理图

隔震橡胶支座示意图

四、结语

建筑抗震，是建筑师和结构师与大自然之间相互对抗的产物，是一门集中了大自然的狂野、工学的严谨以及建筑学之美的艺术。随着技术水平的进一步发展，现如今的抗震设防措施比以往更加的合理精密。

高层建筑及超高层建筑已然成为了我们生活的一部分，是城市化发展的必然产物。从统计角度来说，高层及超高层建筑是比多层建筑更加安全的，这得益于其较大的自振周期，也得益于其严格的设计施工监管过程。

然而大自然是无情的，我们不会忘记 2008 年汶川地震所带来的空前灾难，不会忘记那些被埋没于废墟之中的人。建筑承托着万千生命之重，我们设计师定然引重致远。

参考文献

[1]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用于分析[M].2019.中国建筑工业出版社.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社.

[4]建筑结构丨北京第一高楼高 528m 中国尊大厦结构设计[J].2018.

[5]彭中进.地震对建筑物破坏的原理分析与监舍防震设计[J].

[6]王曙光.高层建筑隔震与消能减震技术及其应用[J].

作者：清华大学建筑设计研究院有限公司第六分院结构所，郭立恒