結(jié)合震害論述抗震設(shè)計(jì)基本概念的重要性

摘要：大量的地震災(zāi)害調(diào)查研究表明，一個(gè)良好的建筑抗震結(jié)構(gòu)，必須在總體設(shè)計(jì)方案的初始階段，就將抗震性能設(shè)計(jì)融于其中，逐步形成抗震概念設(shè)計(jì)思想。概念設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，貫穿于抗震設(shè)計(jì)的全過(guò)程，其內(nèi)容紛繁、復(fù)雜、綜合性極強(qiáng)，需要設(shè)計(jì)人員認(rèn)真研究、細(xì)心體會(huì)，才能使構(gòu)造的抗震性能收到較好的效果。

關(guān)鍵詞：震害;抗震概念設(shè)計(jì);抗震措施

一、建筑抗震設(shè)計(jì)思想

20世紀(jì)70年代以后，隨著技術(shù)的進(jìn)步及對(duì)抗震概念的深化認(rèn)識(shí)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了“抗震概念設(shè)計(jì)”，并越來(lái)越意識(shí)到它比計(jì)算設(shè)計(jì)，構(gòu)造設(shè)計(jì)更為重要。設(shè)計(jì)者們?cè)晃兜刈非笥?jì)算的“精確”，然而由于地震本身的隨機(jī)很強(qiáng)，在某一地區(qū)，某一基準(zhǔn)期內(nèi)，可能出現(xiàn)最大地震動(dòng)是隨機(jī)變量，事先無(wú)法預(yù)知，地震動(dòng)的影響次數(shù)少，作用時(shí)間短，各次地震的強(qiáng)度差異很大。對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師而言：結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)抗御其他荷載作用的設(shè)計(jì)不同，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須要清楚地震作用有別于其他荷載的特殊性，進(jìn)而準(zhǔn)確理解與把握符合這一特殊情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則，即結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。

建筑抗震概念設(shè)計(jì)在地震區(qū)的建筑抗震設(shè)計(jì)中是非常重要的，應(yīng)貫穿于抗震設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不修理可繼續(xù)使用，當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能破壞，經(jīng)一般修理或不需要修理仍可繼續(xù)使用;當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不至倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。

“小震不壞、中震可修、大震不倒” 三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)是多層和高層鋼筋混凝土房屋，多層砌體房屋和底部框架、內(nèi)框架房屋，多層和高層鋼結(jié)構(gòu)房屋，單層工業(yè)廠房，單層空曠房屋，土木結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的要點(diǎn)。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)是通過(guò)“兩階段設(shè)計(jì)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的：其方法和步驟是第一階段設(shè)計(jì)在多遇地震烈度的地震作用下，通過(guò)驗(yàn)算構(gòu)件抗震承載力及彈性變形以保證小震不壞，中震可修的要求;第二階段設(shè)計(jì)在罕遇地震烈度的作用下，通過(guò)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)薄弱部位彈塑性變形并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施保證大震不倒。地震造成大量房屋倒塌、損壞，精確的計(jì)算保證不了建筑物不遭受地震的破壞和震害。作為一名結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，深刻理解所規(guī)范的抗震概念設(shè)計(jì)原則和思想實(shí)質(zhì)，針對(duì)歷次地震害的情況，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

二、地震震害經(jīng)驗(yàn)與啟示

邢臺(tái)、海城、唐山、汶川等歷次地震震害，無(wú)數(shù)房屋倒塌，人員傷亡慘重，震區(qū)及周邊地區(qū)出現(xiàn)大量的斷裂帶、噴水冒沙，井噴、滑坡、泥石流、崩塌、地基沉陷、巖溶洞陷落等，其破壞的共性和規(guī)律性體現(xiàn)在以下幾方面

1、場(chǎng)地地基方面

（1）斷層錯(cuò)動(dòng)、滑坡、地陷等地面變形對(duì)建筑物破壞嚴(yán)重。

（2）沙土液化引起地基不均勻深陷，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞或整體傾斜。

（3）在具有深厚軟弱沖積土層上，高層建筑的破壞率顯著增高。

（4）當(dāng)建筑的基本周期與場(chǎng)地卓越周期相近時(shí)，破壞程度將因共振效應(yīng)而加重。

2、房屋體型方面

（1）平面復(fù)雜的房屋，如L形，，Y形等，破壞率顯著增高。

（2）大底盤(pán)的高層建筑，裙房頂面與主樓相接處樓板面積突然減的樓層，破壞程度加重。

（3）房屋高寬比值較大且上面各層剛度很大的高層建筑，底層框架柱因地震傾覆力矩引起的巨大壓力而發(fā)生而發(fā)生剪切破壞。

（4）相鄰結(jié)構(gòu)或毗連建筑，因相互間縫隙寬度不夠而發(fā)生碰撞破壞。

3、結(jié)構(gòu)體系方面

（1）相對(duì)于框架體系而言，采用框架-墻體系的房屋，破壞程度較輕，填充墻的建筑裝遭破壞程度差。

（2）采用“框架+填充墻”體系的房屋，在鋼筋混凝土框架平面內(nèi)嵌砌磚填充墻時(shí)，柱上端易發(fā)生剪切破壞;外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束發(fā)生短柱剪切破壞。

（3）采用鋼筋混凝土板柱體系的房屋，因樓板沖切破壞，或樓層側(cè)移過(guò)大，柱頂，柱腳破壞、各層樓板墜落，重疊在地面。

（4）采用“底部純框架+上部砌體結(jié)構(gòu)”體系的房屋，相對(duì)柔弱的底層，破壞程度十分嚴(yán)重;采用“框架結(jié)構(gòu)+填充墻”體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛殚_(kāi)敞式的純框架，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞。

（5）采用單跨框架結(jié)構(gòu)體系的房屋，因結(jié)構(gòu)整體冗余度較少?gòu)?qiáng)震作用下易發(fā)生整體倒塌。

4、剛度分布方面

（1）采用L形、三角形等不對(duì)稱平面建筑，地震因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而使震害加重。

（2）矩形平面建筑，電梯間豎筒抗側(cè)力構(gòu)件的布置存在偏心時(shí)，同樣因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)而使震害加重。

5、構(gòu)件形式方面

（1）鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻（連梁）常發(fā)生斜向裂縫成交叉裂縫。

（2）在框架結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)情況下，柱的破壞程度重于梁和板。

（3）鋼筋混凝土框架，如在同一樓層中出現(xiàn)長(zhǎng)、短柱并用的情況，短柱破壞嚴(yán)重。

（4）配置螺旋箍的鋼筋混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到很大數(shù)值時(shí)核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的豎向承載能力，配置方形箍的鋼筋混凝土柱，箍筋崩開(kāi)，核心混凝土破碎脫落。

6、非結(jié)構(gòu)方面

（1）剛度較大的磚砌體填充墻平面布置不合理，易導(dǎo)致建筑平

面剛度分布不均發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞;豎向布置不合理易導(dǎo)致豎向剛度突變，產(chǎn)生薄弱樓層破壞;局部布置不合理，容易使框架柱形成短柱，產(chǎn)生剪切破壞。

（2）附著于樓屋面的機(jī)電設(shè)備，女兒墻等非結(jié)構(gòu)，地震時(shí)易倒塌或脫落傷人，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取與主體結(jié)構(gòu)可靠的連接與錨固措施。

三、抗震概念設(shè)計(jì)的幾方面內(nèi)容

概念設(shè)計(jì)是指一些在計(jì)算中或規(guī)范中難以作出具體規(guī)定的問(wèn)題，必須由工程師運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析，作出判斷，以便采取相應(yīng)的措施。例如：結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的概念，力學(xué)概念以及震害試驗(yàn)現(xiàn)象等總結(jié)提供的各種宏觀和具體的經(jīng)驗(yàn)等，這些概念及經(jīng)驗(yàn)要貫穿在方案確定及結(jié)構(gòu)布置過(guò)程中，也體現(xiàn)在計(jì)算簡(jiǎn)圖及計(jì)算結(jié)構(gòu)的處理中，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是以現(xiàn)有科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件為前提的。目前地震及結(jié)構(gòu)所受的地震作用還有許多規(guī)律未被認(rèn)識(shí)，人們?cè)诳偨Y(jié)歷次大地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)到：一個(gè)合理的抗震設(shè)計(jì)在很大程度上取決于“概念設(shè)計(jì)”。概念設(shè)計(jì)主要有如下幾點(diǎn)：

1、工程場(chǎng)址的合理選擇

選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要，掌握地震活動(dòng)情況、工程地質(zhì)的地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對(duì)抗震有利、不利的危險(xiǎn)地段作出綜合評(píng)價(jià)。對(duì)不利地段應(yīng)提出避開(kāi)要求;當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)應(yīng)采取有效措施;對(duì)危險(xiǎn)地段，嚴(yán)禁建造甲、乙類建筑，不應(yīng)建造丙類的建筑“

2、建筑結(jié)構(gòu)布置原則

（1）建筑的體型力求簡(jiǎn)單，規(guī)則，對(duì)稱，質(zhì)量和剛度變化均勻。

（2）選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。其：A、具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的傳遞途徑;B、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(gè)體系喪失抗震能力或重力荷載的承載能力;C、應(yīng)具備必要的強(qiáng)度良好的變形能力和耗能能力;D、具備合理的剛度和強(qiáng)度分布避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生多大的應(yīng)力集中或塑性變形集中;對(duì)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)具備必要的強(qiáng)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)具備可靠的連接。

（5）抗震結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)應(yīng)能保證地震結(jié)構(gòu)時(shí)的穩(wěn)定。

（6）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（圍護(hù)墻、隔墻、填充墻）要合理布置。

四、結(jié)構(gòu)抗震的幾點(diǎn)措施：

1、砌體結(jié)構(gòu)。

磚砌體為脆性材料，抗拉、抗剪強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度較高，從結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)當(dāng)使砌體構(gòu)件盡量受壓而不受彎曲或拉力。多層砌體房屋的結(jié)構(gòu)，其自身的特殊性，加強(qiáng)構(gòu)造措施更為重要。

（1）砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能需要嚴(yán)格的構(gòu)造措施和施工質(zhì)量給予保證，合理設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁、加強(qiáng)構(gòu)造柱和承重墻的安全儲(chǔ)備，對(duì)于局部部位加強(qiáng)墻體連接構(gòu)造，是多層磚房有效的抗震措施之一。

（2）板的整體性是必須要予以重視的，板與墻體拉結(jié)可提高墻體的整體性，減少倒塌的危險(xiǎn)程度，只有保證預(yù)制樓板的有效拉結(jié)和擱置長(zhǎng)度、或增加現(xiàn)澆層、采用現(xiàn)澆樓蓋等措施，才能提高房屋的整體抗震性能。

（3）注意：縱墻是砌體結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，預(yù)制板搭在外縱墻上，以混凝土梁代替橫墻，梁端搭在縱墻上，這種支撐方式很容易在地震中隨著縱墻的破壞倒塌而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌，縱墻搭梁的這種結(jié)構(gòu)設(shè)置方式要盡量避免，無(wú)法避免時(shí)應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求采取的縱墻加強(qiáng)措施。

2、框架結(jié)構(gòu)：

框架結(jié)構(gòu)體系是指沿房屋的縱向和橫向，由梁、柱構(gòu)件通過(guò)抗彎節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成，既能承受豎向力，也承受水平力的結(jié)構(gòu)體系。這種體系適用于多層建筑及高度不大的高層建筑?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的震害的統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象一般是梁輕柱重，柱頂比柱底嚴(yán)重，尤其是柱角和邊柱更易發(fā)生破壞，普通柱一般是柱端發(fā)生彎曲破壞，水平或斜向斷裂，重者混凝土壓酥、鋼筋外露、壓屈和箍筋崩脫。剪跨比較小的短柱易發(fā)生剪切型的脆性破壞。當(dāng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋約束不足或無(wú)箍筋約束時(shí)，節(jié)點(diǎn)和柱端破壞合并加重。強(qiáng)度較高的填充墻的不合理砌筑，往往會(huì)導(dǎo)致普通柱因側(cè)向變形受到約束而形成短柱。

框架結(jié)構(gòu)可通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施，加強(qiáng)延性設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能：

（1）強(qiáng)柱弱梁措施：主要是通過(guò)人為增大柱相對(duì)于梁的抗彎能力，使塑性鉸出現(xiàn)在梁端而不是柱端，讓結(jié)構(gòu)在地震引起的動(dòng)力反應(yīng)中形成粱鉸機(jī)構(gòu)或梁柱鉸機(jī)構(gòu)，通過(guò)框架梁的塑性變形來(lái)消耗地震能量。

（2）強(qiáng)剪弱彎措施：用剪力增大系數(shù)增大梁端、剪力墻洞口連接端、柱端以及梁柱節(jié)點(diǎn)中的組合剪力值，并用增大后的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行受剪截面控制條件驗(yàn)算受剪承載力設(shè)計(jì)，以減少梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性的剪力破壞。另為保證柱具備足夠的延性，當(dāng)剪跨比大于2的短柱應(yīng)沿全高加密箍筋，并優(yōu)先考慮采用復(fù)合螺旋箍或井字復(fù)合箍。當(dāng)剪跨比小于1.5的短柱應(yīng)進(jìn)行專門(mén)的加強(qiáng)措施，以此來(lái)提高柱子的承載能力，加大變形能力。

（3）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固：節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力復(fù)雜容易發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)的可靠與否是關(guān)系到梁柱能否可靠工作的前提，鋼筋的錨固的好壞及節(jié)點(diǎn)施工的措施保證是構(gòu)件能否發(fā)揮承載力的關(guān)鍵。

（4）非結(jié)構(gòu)構(gòu)件：框架結(jié)構(gòu)的維護(hù)墻和填充墻，應(yīng)考慮其設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)不同方向的層間位移，避免造成主體結(jié)構(gòu)破壞。與柱脫開(kāi)、采用柔性連接，采取措施保證墻體穩(wěn)定、設(shè)拉結(jié)筋、水平系梁、圈梁、構(gòu)造柱等。

3、剪力墻結(jié)構(gòu)（包括框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-筒體結(jié)構(gòu)）

剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物鋼筋混凝土墻承受豎向和水平，它在自身平面內(nèi)剛度大、強(qiáng)度高、整體性好，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，抗震性能較強(qiáng)。在國(guó)內(nèi)的歷次大地震中，剪力墻結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出良好的抗震性能，震害較輕。根據(jù)已獲得的震害調(diào)查結(jié)果推斷，剪力墻結(jié)構(gòu)在非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的震害方面輕于框架結(jié)構(gòu)，是一種較好的抗震結(jié)構(gòu)形式。合理設(shè)計(jì)剪力墻使之具有良好的延性和耗能能力：強(qiáng)墻肢弱連梁，強(qiáng)剪弱彎、限制墻肢軸壓比。限制剪力設(shè)計(jì)值。避免墻肢出現(xiàn)脆性破壞。

4、工程建設(shè)的監(jiān)督和管理

對(duì)工程建設(shè)的監(jiān)督和管理仍需加強(qiáng)，避免在設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)不符合抗震規(guī)范的建筑工程。在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震體系和概念設(shè)計(jì)的教育，并在抗震構(gòu)造措施方面嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，如構(gòu)造柱和圈梁設(shè)置要求，預(yù)制板的拉結(jié)要求，最小配筋率和最小配箍率要求，箍筋彎鉤和箍筋間距要求等。在施工方面，應(yīng)嚴(yán)格保證工程材料質(zhì)量、混凝土級(jí)配、澆筑措施，鋼筋構(gòu)造措施的實(shí)現(xiàn)等，保證工程施工質(zhì)量。

五、結(jié)束語(yǔ)

為了保證結(jié)構(gòu)具備有足夠的抗震可靠性面對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)做的概念設(shè)計(jì)，要求建筑師，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)新抗震規(guī)范運(yùn)用好抗震概念設(shè)計(jì)做到：結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致，充分深刻理解掌握抗震概念設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)，結(jié)合我國(guó)的整體抗震防災(zāi)水平，發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)作用，利用定量的計(jì)算進(jìn)行抗震分析，用概念判斷設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]建筑震害與設(shè)計(jì)對(duì)策"" 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009。