泛議抗震設(shè)計的復(fù)雜性

矯立明，彭 秋

(1.牡丹江市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，黑龍江牡丹江157000;2.黑龍江農(nóng)墾水利工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，哈爾濱150046)

1 中國屬地震頻發(fā)國家

我國是地震頻發(fā)的國家，最近3 a就發(fā)生了兩次大級別地震，一次是2008年5月12日14時28分發(fā)生的四川汶川、北川等區(qū)域的8級強震，震中位置為四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)，最大烈度11度;一次是2010年4月14日晨青海省玉樹縣發(fā)生的7.1級地震，震中就在玉樹縣城附近。這兩次地震造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失都是世界少有的。

我國歷史上不少地域，包括廣大農(nóng)村均發(fā)生過不同頻率的地震［1］，見表1。

表1 中國各行政單元發(fā)生不同次數(shù)地震的單元個數(shù)(公元前2300至公元2000年，Ms≥5)

根據(jù)上述中國地震災(zāi)害致災(zāi)因素分析，我國農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)是受地震災(zāi)害影響最嚴(yán)重的地區(qū)，農(nóng)村地震災(zāi)害危險遠大于城市市區(qū)，其中西藏、

新疆、云南、青海、甘肅、四川等西部省區(qū)地震發(fā)生最為頻繁這些地省的大部分縣域都發(fā)生過破壞性地震，我國歷史上7級以上強震也主要發(fā)生在這幾個省區(qū)。

2 房屋建筑是地震災(zāi)害的主要承災(zāi)體

根據(jù)自然災(zāi)害系統(tǒng)現(xiàn)狀，致災(zāi)因子強度和承災(zāi)體的脆弱性共同決定了災(zāi)情的大小。建筑物設(shè)施是地震災(zāi)害系統(tǒng)中最主要的承災(zāi)體，由于城市中人口、財物集中，建筑物密度大，城市抗震減災(zāi)一直是地震災(zāi)害研究的重要方面。有人不斷的提出，要使地震區(qū)房屋等建筑達到防御8級以上地震等等，重要水工建筑物也要特別注重地震烈度的確定與對誘發(fā)地震的評定。殊不知，抗震設(shè)計有許多想象不到的復(fù)雜性。

3 抗震設(shè)計的復(fù)雜性［2］

3.1 地面運動的復(fù)雜性

地面運動的復(fù)雜性表現(xiàn)為多向性與隨機性。所謂多向性，指地面運動是復(fù)雜的空間運動，可以分解為6個分量，即3個平動分量和3個轉(zhuǎn)動分量。但目前還沒有轉(zhuǎn)動分量的實測資料，故在抗震計算設(shè)計中無法考慮這個因素。

至于地面運動的隨機性，是指它的發(fā)生在時間、空間及其隨時間的變化規(guī)律等都是不能預(yù)先確定的或者確知的，而且還是一個多維非平穩(wěn)隨機函數(shù)。

3.2 地震烈度的復(fù)雜性

地震烈度的復(fù)雜性表現(xiàn)為隨機性與模糊性。它的隨機性是指地震的強烈程度，它對地表及建筑物的破壞程度是不能預(yù)先確知的;它的模糊性是指評價地震烈度的各種指標(biāo)是模糊量。如所知，我國抗震規(guī)范中的烈度是離散量，相差1度將導(dǎo)致地震作用相差1倍。可見正確評定地震烈度以及建立地震烈度復(fù)雜性的概念是十分重要的。

3.3 震中距影響的復(fù)雜性

如所知，一次地震只有一個震級，而烈度則隨地區(qū)而異，可以有若干個，這主要取決于震中距。一般說來，震中距越大，烈度則越低，即烈度隨震中距的增大而衰減。

GBJ11－89區(qū)分了近震與遠震。大量地震記錄及震害調(diào)查表明，同一烈度的近震與遠震的地面運動及其對建筑物的破壞可能有很大的差異。一般說來，遠震的地面運動的卓越周期條長一些，對柔性建筑物的破壞作用要大一些，甚至可能要大1倍或更。

3.4 地基土影響的復(fù)雜性

地基土對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響是復(fù)雜的，包括:

1)地基失效。

2)由基巖輸入的地震波通過土層傳播，可以使輸入波的振幅及頻率特性有很大改變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基底剪力的差異可達數(shù)倍之多。

3)地基變形使得地基各點的運動產(chǎn)生差異，這對平面尺寸很大的結(jié)構(gòu)來說，是一個不容忽視的因素。

4)地基變形產(chǎn)生土——結(jié)構(gòu)體系的相互作用，甚至鄰近結(jié)構(gòu)的相互作用。當(dāng)場地土很軟時，這些作用有顯著的影響。

5)考慮短期突然加載對地基承載能力的影響，往往對地耐力的提高作出人為的估計(一般提高30% ～50%)，也給抗震設(shè)計帶來差異。

3.5 結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性

主要包括:

1)結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜的空間體系，特別是還有很多非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，如非承重墻等。在建立計算簡圖時往往都不能如實考慮，或者還無法考慮。

2)結(jié)構(gòu)的非線性。由于設(shè)計中所考慮的強烈地震是多年一遇，甚至是百年一遇的一種特殊荷載，它的強度很大，而持續(xù)時間又很短，只不過幾秒，幾十秒或幾分種，因而允許結(jié)構(gòu)在遭受基本烈度的地震(第二水準(zhǔn)烈度)時，發(fā)生塑性變形，而在遭受罕見地震(第三水準(zhǔn)烈度)時不倒塌。

考慮結(jié)構(gòu)塑性變形的設(shè)計要比按強度設(shè)計的方法復(fù)雜得多。

3)結(jié)構(gòu)各部件間的節(jié)點或連接質(zhì)量的好壞，往往對結(jié)構(gòu)是否破壞起決定性作用，但在計算中有些卻得不到反映，或者難以確切地反映，甚至目前還無法反映。

4)材料的影響?；炷恋膹椥阅Ａ?，隨著時間的增長可比施工剛完成時降低50%，在應(yīng)變增大時還可能繼續(xù)降低。

鋼筋混凝土的慣性矩一般按毛截面計算，這是不符合實際情況的。其次，豎向及側(cè)向荷載的變化，都將影響中和軸的位置。柱配筋的不同，可使周期相差達40%左右。

5)阻尼變化的影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比，一般為1% ～3%，與結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。一般說來，鋼筋混凝土煙囪類的高聳結(jié)構(gòu)的阻尼要小一些，通常為1%左右;鋼筋混凝土空框架結(jié)構(gòu)的阻尼比為2%左右;而框架建筑物的阻尼比在3%左右。但當(dāng)受震松動后，其阻尼比可增加數(shù)倍，以以致10余倍。

6)基礎(chǔ)差異沉降的影響。按一般框架設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)，若地震剪力為0.1W(即建筑物重量的10%)，基礎(chǔ)差異沉降為1 cm時，可能造成框架在豎向及地震荷載組合后的彎矩達70%的誤差，而此誤差在設(shè)計中一般未予考慮。

從上述可以看出，由于某些因素的隨機性和可能的誤差幅度，可以導(dǎo)致計算上的差異達數(shù)倍之多，因而在實際工程設(shè)計中，對某一局部作過分的精細計算是沒有多大意義的。

綜上，在重要水利樞紐工程及震區(qū)房屋要真正做到防御設(shè)計級別的地震災(zāi)害是極其復(fù)雜和難于達到萬無一失的。

［1］王瑛，史培軍，王靜愛，中國農(nóng)村地震災(zāi)害特點及減災(zāi)對策［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2005，14(1):82 －89.

［2］曹宏，李秋勝，李桂青.工程結(jié)構(gòu)抗震［M］，北京:氣象出版社，1993.