淺談建筑抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

閆曉愛(ài)

接二連三的地震引起了人們的恐慌，智利里氏8.8級(jí)特大地震;汶川里氏8.0級(jí)特大地震;玉樹里氏 7.1級(jí)地震，造成眾大人員傷亡，這些引起了人們的深思。我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)，從唐山地震后開始。唐山地震中，按日本20世紀(jì)30年代抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的多層建筑基本沒(méi)有受到大的破壞，由此我國(guó)開始了具有中國(guó)特色的抗震設(shè)計(jì)研究。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”，尋求建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面達(dá)到最佳。但是，由于地震作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的循環(huán)、往復(fù)荷載，建筑物的地震破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，存在著許多模糊和不確定因素，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，計(jì)算方法還很不完善，單靠微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算很難使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)真正確保具有良好的抗震能力。

1 建筑抗震結(jié)構(gòu)體系的基本要求

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能

1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱”的原則。2)對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。3)承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

1.2 盡可能設(shè)置多道抗震防線

1)一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。2)強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌。抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌和一旦破壞也易于修復(fù)。3)適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長(zhǎng)階段，保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。4)在抗震設(shè)計(jì)中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng)，可能造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對(duì)薄弱，因此在設(shè)計(jì)中不合理的加強(qiáng)以及在施工中以大代小，改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋的做法，都需要慎重考慮。

1.3 對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力

1)構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，構(gòu)件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。2)要使樓層(部位)的實(shí)際承載能力和設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性受力的比值在總體上保持一個(gè)相對(duì)均勻的變化，一旦樓層(部位)的比例有突變時(shí)，會(huì)由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。3)要防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。4)在抗震設(shè)計(jì)中有意識(shí)、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

2 提高抗震性能的措施

有抗震設(shè)防要求的建筑除應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度要求外，還要滿足延性的要求。無(wú)筋砌體本身是脆性材料，只能利用約束條件(如圈梁、構(gòu)造柱、組合柱等來(lái)分割、包圍)使砌體發(fā)生裂縫后不致崩塌和散落，地震時(shí)不致喪失對(duì)重力荷載的承載能力。針對(duì)預(yù)制混凝土在強(qiáng)烈地震中容易脫落導(dǎo)致人員傷亡的震害，新的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用現(xiàn)澆樓、屋蓋，特別強(qiáng)調(diào)裝配式樓、屋蓋需加強(qiáng)整體性的要求。

鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能與砌體相比是比較好的，但如處理不當(dāng)，也會(huì)造成不可修復(fù)的脆性破壞。如:混凝土壓碎、構(gòu)件剪切破壞、鋼筋錨固部分拉脫(粘結(jié)破壞)，應(yīng)力求避免。

鋼筋混凝土構(gòu)件應(yīng)用廣泛，本身自重較大，是抗震設(shè)防的重點(diǎn)之一。按強(qiáng)柱弱梁的原則，柱子的抗震設(shè)防是重中之重，因此我們重點(diǎn)討論柱子。建筑的底層柱，隨著建筑物高度的增加，其所承擔(dān)的軸力不斷增加，在層高一定的情況下，提高延性就要將軸壓比控制在一定的范圍內(nèi)而不能過(guò)大，這樣則必然導(dǎo)致柱截面增大，從而形成短柱，甚至成為剪跨比小于1.5的超短柱。眾所周知，短柱的延性很差，尤其是超短柱幾乎沒(méi)有延性，在建筑遭受本地區(qū)設(shè)防烈度或高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，很容易發(fā)生剪切破壞而造成建筑整體結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。

混凝土短柱的延性主要受軸壓比的影響，同時(shí)配箍率、箍筋的形式對(duì)混凝土短柱的影響也很大。混凝土結(jié)構(gòu)短柱，特別是結(jié)構(gòu)底層的混凝土短柱，其軸壓比很大，破壞時(shí)呈脆性破壞，其塑性變形能力很小。可采取以下幾方面措施提高混凝土的抗震性能:

1)提高短柱的受壓承載力。提高短柱的受壓承載力可減小柱截面、提高剪跨比，從而改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。減小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，即采用高強(qiáng)混凝土來(lái)增加柱子的受壓承載力，降低其軸壓比;但高強(qiáng)混凝土材料本身的延性較差，采用時(shí)須慎重或與其他措施配合使用。此外，也可以采用鋼管混凝土柱以提高短柱的受壓承載力。

當(dāng)選用了高強(qiáng)混凝土和合適的配箍后，柱子的承載力可大幅度提高，通常柱截面可比普通鋼筋混凝土柱減小一半以上，消除了短柱并具有良好的抗震性能。

2)采取抗震構(gòu)造措施。短柱的抗彎承載力比抗剪承載力要大得多，在地震作用下往往是因剪壞而失效，其抗彎強(qiáng)度不能完全發(fā)揮。根據(jù)強(qiáng)剪弱彎的原則，可人為地削弱短柱的抗彎強(qiáng)度，使抗彎強(qiáng)度相應(yīng)于或略低于抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)汶川、玉樹地震表明，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和使用的建筑，在遭遇罕遇地震作用下，沒(méi)有出現(xiàn)倒塌破壞，可以有效地保護(hù)人民的生命安全。但我們還需要進(jìn)一步努力使建筑抗震分析在概念上走向完善，使結(jié)構(gòu)材料特性，動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算理論，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)諸方面符合實(shí)際，自然會(huì)在建筑結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域內(nèi)起到重要的作用。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 豐定國(guó)，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2003.

[3] 張志強(qiáng).延性與抗震設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2008，34(12):93-94.

[4] 朱鏡清.結(jié)構(gòu)抗震分析原理[M].北京:地震出版社，2002:11.