建筑抗震概念設(shè)計與設(shè)計規(guī)范的研究

鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院給水分院 王 冰

中科院建筑設(shè)計研究院有限公司 丁 南

建筑抗震概念設(shè)計與設(shè)計規(guī)范的研究

鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院給水分院 王 冰

中科院建筑設(shè)計研究院有限公司 丁 南

地震是地球內(nèi)部介質(zhì)局部發(fā)生急劇的破裂，產(chǎn)生地震波，從而在一定范圍內(nèi)引起地面振動的現(xiàn)象。地震是一種隨機性振動，它有著難以把握的復(fù)雜性和不確定性，目前，人類還不能準(zhǔn)確預(yù)測，也不能完全把握和測算建筑物在遭遇地震的特性和參數(shù)。結(jié)構(gòu)所受地震作用還有許多規(guī)律未被認(rèn)識，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布方面由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時效、阻尼變化等各種因素也存在不確定性。由于建筑抗震理論還沒完善，單靠計算很難確保房屋具有足夠的抗震可靠度，因此著眼于提高建筑總體抗震能力的概念設(shè)計不失為一種理性選擇。

一、抗震概念設(shè)計主要內(nèi)容

建筑抗震概念設(shè)計是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，進行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程，是一種基于震害經(jīng)驗建立的抗震基本設(shè)計原則和思想。在設(shè)計時把握好能量輸入、房屋形狀、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等幾個方面，從根本上消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)再輔以必要的計算和構(gòu)造措施提高建筑物抗震性能和足夠的抗震可靠度。人們在總結(jié)歷次大地震災(zāi)害經(jīng)驗中認(rèn)識到：一個合理的抗震設(shè)計，在很大程度上取決于良好的“概念設(shè)計”?？拐鸶拍钤O(shè)計主要有如下幾點。

2.抗震結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)符合以下要求。

（1）具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。

（2）具有多道抗震防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。

（3）應(yīng)具備必要的強度、良好的變形能力和耗能能力。

（4）具有合理的剛度和強度分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。

3.抗震結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件應(yīng)具有必要的強度和變形能力（或延性）。

4.抗震結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件之間應(yīng)具有可靠的連接。

“五個胡人把三四百個居民殺光，走了。他們走了，又有一批胡人來了。直到深夜，周圍才安靜下來。我想可以下去了，吃點飯，再商議往哪藏。我推了一下旁邊的兒子，兒子沒動，身體早僵硬了，我又摸女兒的臉，發(fā)現(xiàn)她竟被媽媽捂死了，而她媽媽，不知什么時候也被凍死了。

5.抗震結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)應(yīng)能保證地震時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

6.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（圍護墻、隔墻、填充墻）要合理設(shè)置。

二、建筑抗震設(shè)計規(guī)范

1.1990年1月開始施行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GBJ11-89（以下簡稱89規(guī)范）中列出了工程設(shè)計中必須遵守的規(guī)定，來保證“概念設(shè)計”在實際工程中的實現(xiàn)。

概念設(shè)計在實際工程設(shè)計中提高結(jié)構(gòu)抗震能力方面發(fā)揮了重要作用。概念設(shè)計就是以工程概念為依據(jù)從有利于提高結(jié)構(gòu)抗震力的概念上，用符合工程客觀規(guī)律和本質(zhì)的方法，對所設(shè)計的對象作宏觀的控制。

2.1990年以來，結(jié)構(gòu)工程師將概念設(shè)計應(yīng)用于實際工程中取得了很好的效果。同時隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑的體型、功能的日新月異的變化與要求，我們發(fā)現(xiàn)89抗震規(guī)范中規(guī)定的概念設(shè)計內(nèi)容不夠全面。

3.2002年1月實施的GBJ50011-2002《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對概念設(shè)計的要求作了更全面、更符合實際的規(guī)定，尤其是增加了“不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計”，使得概念設(shè)計在工程中的應(yīng)用更具體更明確地落到實處，切實提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力?！案拍钤O(shè)計”愈來愈受到國內(nèi)外工程界的普遍重視。

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計是依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性來耗散地震能量，但任何事都有它的兩面性。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇地震時結(jié)構(gòu)構(gòu)件在利用它的延性和自身變形來耗散地震能量的同時構(gòu)件本身也因過量變形而遭到破壞。新的抗震概念是把結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)重力之荷載功能與耗散能量的功能分開，讓結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)重力豎向荷載，而地震能量由安裝到結(jié)構(gòu)上的特殊耗能裝置來吸收，這樣既能減少結(jié)構(gòu)的側(cè)移又能保護構(gòu)件免于破壞?；A(chǔ)隔震可以將上部結(jié)構(gòu)的地震作用數(shù)值控制在某一限度內(nèi)可以減少震害，但其理論、材料和元件有待于開發(fā)和完善。

4.2008年“5.12”汶川大地震，其震害經(jīng)驗表明，嚴(yán)格按照2001規(guī)范進行設(shè)計、施工和使用的建筑，在遭遇比當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度高一度的地震作用下，可以達到在預(yù)估的罕遇地震下保障生命安全的抗震設(shè)防目標(biāo)。2010年12月實施的GBJ50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱新抗震規(guī)范）對2001規(guī)范進行全面修訂，增加了抗震性能化設(shè)計的原則性規(guī)定。

三、對抗震設(shè)計合理化的建議

參照震后的建筑毀壞程度和筆者在震區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，對合理的抗震設(shè)計進行總結(jié)，主要包括抗震概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)抗震計算和抗震構(gòu)造措施3個方面。下面按照新抗震規(guī)范的內(nèi)容歸納為以下幾點。

1.選擇對建筑抗震有利的場地，宜避開對建筑抗震不利的地段，不應(yīng)在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。對于不利地段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)提出避開要求，當(dāng)無法避開時，應(yīng)采取有效措施，這就考慮了地震因場地條件間接引起結(jié)構(gòu)破壞的原因，諸如地基土的不均勻沉陷、地震引起的地表錯動與地裂。

2.建筑的平立面布置應(yīng)符合概念設(shè)計的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的方案。不規(guī)則的建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要進行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。借鑒國際的通行做法，參考外國規(guī)范，使我們的設(shè)計更加完善合理。

3.結(jié)構(gòu)材料選擇與結(jié)構(gòu)體系的確定應(yīng)符合抗震結(jié)構(gòu)的要求。采用哪一種結(jié)構(gòu)材料，什么樣的結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟條件比較綜合確定。同時力求結(jié)構(gòu)的延性好、強度與重力比值大、勻質(zhì)性好、正交各向同性，盡量降低房屋重心，充分發(fā)揮材料的強度，并提出了結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的動力特性（周期和振型）相近的抗震概念。

4.盡可能設(shè)置多道抗震防線。地震有一定的持續(xù)時間，而且可能多次往復(fù)作用，根據(jù)地震后倒塌的建筑物的分析，我們知道地震的往復(fù)作用使結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，而最后倒塌則是結(jié)構(gòu)因破壞而喪失了承受重力荷載的能力。適當(dāng)處理構(gòu)件的強弱關(guān)系，使其形成多道防線，是增加結(jié)構(gòu)抗震能力的重要措施。例如單一的框架結(jié)構(gòu)，框架就成為唯一的抗側(cè)力構(gòu)件，那么采用“強柱弱梁”型延性框架，在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的變形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。

5.具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性。提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，往往是以提高工程造價及降低結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)為代價的。要使建筑物在遭受強烈地震時，具有很強的抗倒塌能力，最理想的是使結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件及構(gòu)件中的所有桿件都具有較高的延性，然而實際工程中很難做到。

有選擇地提高結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件以及關(guān)鍵桿作的延性是比較經(jīng)濟有效的辦法。例如上剛下柔的框支墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)重點提高轉(zhuǎn)換層以下的各層的構(gòu)件延性。對于框架和框架筒體，應(yīng)優(yōu)先提高柱的延性。在工程設(shè)計中另一種提高結(jié)構(gòu)延性的辦法是結(jié)構(gòu)承載力無明顯降低的前提下，控制構(gòu)件的破壞形態(tài)，減小受壓構(gòu)件的軸壓比（同時還應(yīng)注意適當(dāng)降低剪壓比），提高柱的延性。

6.確保結(jié)構(gòu)的整體性。各構(gòu)件之間的連接必須可靠，符合下列要求。

（1）構(gòu)件節(jié)點的承載力不應(yīng)低于其連接構(gòu)件的承載力，當(dāng)構(gòu)件屈服、剛度退化時，節(jié)點應(yīng)保持承載力和剛度不變。

（2）預(yù)埋件的錨固承載力不應(yīng)低于連接件的承載力。

（3）裝配式的連接應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體性，各抗側(cè)力構(gòu)件必須有可靠的措施以確保空間協(xié)同工作。

（4）結(jié)構(gòu)應(yīng)具有連續(xù)性，注重施工質(zhì)量，避免施工不當(dāng)使結(jié)構(gòu)的連續(xù)性遭到削弱甚至破壞。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是常用的結(jié)構(gòu)形式，目前城市中正在建設(shè)和擬建的多層、高層建筑物大都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地震是一種自然現(xiàn)象，為避免它給人類帶來大的災(zāi)難，要求結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)新抗震規(guī)范運用好抗震概念設(shè)計。做到結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致；充分發(fā)展先進的設(shè)計理念；發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)；更好地解決構(gòu)造處理；利用定量的計算進行抗震分析；用概念來判斷計算的合理性?？陀^事物是多種多樣的而且都是在不斷地變化，因此對不同的客觀事物有不同的概念，隨著事物認(rèn)識的不斷發(fā)展概念也在不斷的發(fā)展變化，做好鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計，有著深遠(yuǎn)的意義。