抗震結構的概念設計

曾慶玲

（佳木斯市水務局，黑龍江佳木斯 154000）

1 引言

就目前世界的科學技術而言，要在短期內準確預報地震發生的時間、區域及其危害程度是不可能的。于是，人們自然想到要使震區防災減災，只有增加建筑物抵御地震震級標準，同時提高強震區抗震設防的綜合能力便成為必然的選擇。而在建筑物設計方面，是強化計算設計的周到全面、準確無誤主要呢?還是強化有關抗震的一些重要概念進行設計呢?為此，一些建筑結構專家、工程力學專家和地震科學專家認為前者收到的預期效果難以達到;而后者搞好概念設計為實現其目的往往容易一些，于是地震結構的概念設計應運而生。

2 何為概念設計

概念設計是相對計算設計而言的。抗震概念設計是根據有關抗震的一些主要概念進行設計，包括結構方案的選擇、構件造型、構件斷面及配筋設計等。

長期以來，在歷經國內外發生地震造成的各種相同相異災害基礎上，對比建筑物的原型與破壞程度，提出這樣一種看法，對結構抗震設計而言，“概念設計”比“計算設計”更為重要。這是由于地震時的地面運動、結構體系、地基土影響等的復雜性，以及結構計算模型與實際情況的差異，使得“計算設計”很難有效地控制結構在地震作用下的薄弱環節，相反，如果依靠正確的概念來確定效果可能更好一些。針對以上，我國建筑抗震設計規范GBJII-89第二章特別強調了抗震概念設計的重要性，并提出幾個重要的抗震概念及相應的措施和規定。

3 抗震設計中的幾個重要概念

3.1 地震作用的基本概念

地震對建筑物的作用，表現為使建筑物產生動力反應，它是由地面運動引起的。由于地面運動的復雜性，因而地震作用也是復雜的。特別是地震作用不僅與地面運動有關，而且還與結構體系的動力特性有關。由于結構體系的復雜性，因而地震作用就更加復雜了。

地震作用不同于一般動荷載。一般動荷載對結構產生的效應，雖然也與結構動力特性有密切關系，但荷載本身，即其大小和隨時間變化的規律，是與結構的動力特性無關的。而地震作用則不然，它本身也與結構的特性有密切的關系。事實上，地震作用是一種慣性荷載，首先與結構重量有關。一般來說，結構愈大，地震作用愈大。但也并非是一種簡單的線性關系，有時適當增加結構重量，反而會減輕地震效應。

3.2 地震作用下結構的破壞的宏觀概念

眾多次地震災害的情況來看，各類結構遭受的破壞千差萬別，原因復雜，因素很多。概括地說，主要原因是由強度不足、延性不夠、聯結不牢、整體性不強、地基失效所引起的。

對廣大的設計工作來說，“強度”的概念是很強的，是很重視的。但變形的概念，延性的概念卻還沒有受到普遍的重視。事實上，保證主要結構的延性，是防止整個建筑物在意外大震，或罕遇大震不倒塌的關鍵。因為延性好，可以抑制地震作用。如果聯結牢固，結構整體性強，還可以使地震荷載重新分配，不致被各個擊坡，不致因局部破壞而導致整體倒塌。

地基失效使建筑物造成破壞的問題，早已被日益重視。所謂地基失效，主要有兩各種情況：①飽和砂土受到強烈振動時，砂處于離散狀態，如同液體，喪失承載能力;②軟弱地基，嚴重不均勻地基地地震時產生過大變形，嚴重沉陷，特別是不均勻沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情況。毫無疑問，處于這一種情況下的建筑物必然發生深陷、傾斜直至倒塌。顯然，這種震害是不可能靠加強上部結構的辦法來解決的，而應該選擇對建筑物有利的地段為建筑場地。如確保避開可液化的或軟弱地基時，則應著重在地基與基礎方面采取抗震措施，同時也要適當增加上部結構的整體性。

應該指出，由于地震的復雜性及不確定性，單靠提高結構強度來抗御意外地震是不經濟、也是不現實的，甚至是不可能的。

3.3 兩種屈服機制

框架結構有兩種基屈服機制，一種是樓層制（S機制）另一種是總體機制（O機制）。基其余機制均可由這兩種機制組織而成。

樓層機制的特別是強梁弱柱，即塑性鉸只發生在柱端，如圖1。

總體機制的特別是強柱弱梁，即塑性鉸只發生在梁端及底層柱根，如圖2。

圖1 樓層機制（S機制） 圖2 總體機制（O機制）

試驗研究及理論分析表明，總體機制可以耗散較多能量，可避免或延緩倒塌。

選擇主要耗能構件應注意以下條件：它們屈服后的變形，應受到其他處于彈性階段的構件所約束;它不是主要隨豎向荷載的構件（底層除外）;有較好的延性和飽滿穩定性的滯回環;它們應在總剛度中占有相當明顯的一部分，但又有相對柔性。因此，主要耗能構件應以水平構件為宜。

對于抗震結構來說，既要重視重視適宜的耗能構件，又要注意保持一定的約束屈服階段，圖3。這樣，可使延性構件充分發揮耗能作用，而脆性構件則仍處于彈性階段，延性與脆性構件的共同工作，可實現一定的總體延性。這對于7、8度地震區是一種較為適宜的方案。

圖3 屈服歷程圖

3.4 抗震設計的基本原則

可以概括為：選擇堅實地基;基礎適當加強;平面立面力求規則;質量、剛度均勻分布，質心剛心重合;結構布局合理，設置多道抗震防線，抗側力構件基本正交;強度、剛度與延性的比例適當;合理選擇屈服機制和耗能構件，慎重考慮構件節點與支座的連接強度;鋼筋混凝土結構要避免過早的剪切、錨固與受壓破壞;合理控制非彈性區域的部位;建筑重量要輕，樓層要矮;樓板的平面剛度大，結構整體性強。

[1]曹宏，李秋勝，李桂青.工程結構抗震[M].北京：氣象出版社，1993.