關(guān)于地震豎向效應(yīng)的探討

劉東波

(攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花 617023)

最近幾十年，國際國內(nèi)頻繁發(fā)生地震，自二十世紀(jì)七十年代以來發(fā)生了七級以上地震十多次，唐山地震、松潘地震、阪神地震、臺灣地震、汶川地震、智利地震……。從震災(zāi)上分析，災(zāi)害各種各樣，無統(tǒng)計(jì)規(guī)律可言。人類由地震災(zāi)害總結(jié)、完善、尋求抗震理論的時(shí)代已經(jīng)過去。對現(xiàn)行抗震理論質(zhì)疑聲越來越強(qiáng)烈。本文從下面幾個(gè)方面探討地震豎向效應(yīng)的有關(guān)問題，與同行商榷。

1 地震災(zāi)害簡述

根據(jù)二十世紀(jì)七十年代以來的震害資料、圖片，以及部份現(xiàn)場勘察，地震災(zāi)害豎向結(jié)構(gòu)受損，似乎無統(tǒng)計(jì)規(guī)律了。

1976年唐山地震災(zāi)害總結(jié)時(shí)，提出了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)比預(yù)制結(jié)構(gòu)抗震性能好，當(dāng)時(shí)的抗震規(guī)范依此進(jìn)行了修正。后來的阪神地震災(zāi)害總結(jié)時(shí)，得到了預(yù)制結(jié)構(gòu)比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)抗震性能好，那么，到底哪種結(jié)構(gòu)形式好呢?無人回答。唐山地震災(zāi)害總結(jié)時(shí)得到框架結(jié)構(gòu)比磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能好，但是筆者在麗江地震災(zāi)害總結(jié)中得到了:磚混結(jié)構(gòu)比框架抗震性能好，江油地震的震害表現(xiàn)為框架結(jié)構(gòu)比磚混結(jié)構(gòu)抗震性能好。唐山地震災(zāi)害總結(jié)時(shí)得到“窖洞”(拱形)屋面、過梁和磚、鋼筋磚過梁抗震性能差，且在新的抗震規(guī)范中，取消了這種結(jié)構(gòu)及構(gòu)造，但在麗江地震中，發(fā)現(xiàn)一棟“窖洞”形屋面、磚過梁的建筑完好無損，震后正常使用。

從震害上看，幾乎全是豎向結(jié)構(gòu)受傷、損、壞，未見一例梁的跨中傷、損、壞。未見一例板跨中傷、損壞。框架的支座有傷損，但建筑物的倒塌不是由于梁的支座傷、損，而是柱的破壞導(dǎo)致的。大跨度的梁也未見到跨中破壞之現(xiàn)象。

2 現(xiàn)行抗震理論關(guān)于豎向地震的論述及分析

現(xiàn)行抗震理論以地震的水平效應(yīng)研究為主，附帶地簡述了地震豎向效應(yīng)，認(rèn)為地震的豎向效應(yīng)同地震的水平效應(yīng)。在現(xiàn)行抗震規(guī)范——建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50011——2001(2008年版)——僅在5.3節(jié)分三部分進(jìn)行論述。關(guān)于“規(guī)范”對豎向地震效應(yīng)的論述，我們可以看出下面幾方面的問題。

(1)建筑物的豎向地震效應(yīng)僅考慮9度時(shí)，那么9度以下為什么不考慮呢?相關(guān)的教科書，也未涉及這方面的論述。“規(guī)范”還強(qiáng)調(diào)了9度時(shí)的豎向地震效應(yīng)計(jì)算，那么，大于9度之上呢?當(dāng)然，現(xiàn)行“規(guī)范”，或者人類認(rèn)知的地震強(qiáng)度是9度及其以下，對于9度以上的地震，只有聽天由命了。

(2)地震豎向效應(yīng)僅限于高層建筑，那么，多層建筑、超高層建筑就可以不計(jì)算嗎?若此，怎么從豎向地震效應(yīng)上區(qū)分多層建筑、高層建筑、超高層建筑呢?關(guān)于這方面，現(xiàn)行“規(guī)范”在今天以前無法解決這個(gè)問題。

(3)關(guān)于豎向地震效應(yīng)計(jì)算，“規(guī)范”給出計(jì)算公式，這個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果與水平地震效應(yīng)相同。按這個(gè)結(jié)果現(xiàn)實(shí)中應(yīng)該是，9度區(qū)的高層建筑物的水平震害與豎向震害相同，可是，現(xiàn)實(shí)中不是這種情況。“規(guī)范”為什么要增加一個(gè)“增大系數(shù)1.5”，增大系數(shù)“1.5”的理論依據(jù)是什么?

(4)對于特殊屋蓋結(jié)構(gòu)，“規(guī)范”僅涉及平板型網(wǎng)架屋蓋，那么，拱型網(wǎng)架、桁架屋面呢?

(5)對于大跨度的屋架，“規(guī)范”僅涉及了跨度大于24 m的屋架，那么，小于等于24 m跨度的屋架，豎向地震效應(yīng)又是多少，是否小到工程可以忽略的程度?

(6)對于平板型網(wǎng)架屋蓋和跨度大于24 m的屋架，“規(guī)范”只涉及了8、9兩度，那么，對于6、7兩度，其豎向地震效應(yīng)是多少呢?其值真的可以忽略不計(jì)嗎，大于9度又怎么辦呢?

(7)“規(guī)范”表5.3.2給出了平板型網(wǎng)架、鋼屋架、鋼筋混凝土屋架在8、9度，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地條件下的豎向地震作用系數(shù)。從表中可以看出場地土越硬，豎向地震作用系數(shù)就越小，這個(gè)系數(shù)是根據(jù)反應(yīng)譜理論給出，至于這個(gè)系數(shù)是否與實(shí)際相符，就無人知曉了，因?yàn)槿祟惉F(xiàn)在還未認(rèn)識地震波在場地土中的傳遞規(guī)律。當(dāng)然，建筑物的地震反應(yīng)僅由建筑物所在場地(點(diǎn))的建筑物所接受到的地震波決定。從這個(gè)意義上講，某一棟建筑物經(jīng)歷了某一次地震的地震反應(yīng)與場地土的軟硬無關(guān)。

(8)關(guān)于長懸臂和其他大跨度結(jié)構(gòu)，一是結(jié)構(gòu)界限不清，二是與場地土無關(guān)。

3 建筑物的結(jié)構(gòu)動力特性

(1)對于框架結(jié)構(gòu)的建筑物，其層間的抗側(cè)移周期(某一層的質(zhì)量與該層的剛度組成的周期)與層間的豎向周期之比為1∶0.1～1∶0.01;對于剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物，其層間的抗側(cè)移周期與層間的豎向周期之比為1∶1～1∶10;對于磚混結(jié)構(gòu)的建筑物，其層間的抗側(cè)移周期與層間的豎向周期之比為1∶0.6324。

(2)對于建筑物的豎向地震效應(yīng)，除了考慮結(jié)構(gòu)的豎向剛度外，樓板、梁的豎向振動不可忽略。現(xiàn)行抗震理論無法考慮這一點(diǎn)。按第三部分的敘述，現(xiàn)行抗震理論在計(jì)算建筑物豎向地震效應(yīng)時(shí)還是假定了樓面豎向剛度無窮大。樓面的豎向剛度遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，梁的豎向剛度大于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。樓面上的荷載小于結(jié)構(gòu)上的荷載。在地震時(shí)樓面上的活荷載并不象恒載那樣起作用。因此，在地震時(shí)，活荷載對樓面的效應(yīng)不同于恒載。人的自重也屬活荷載，但是由于人在地震發(fā)生時(shí)會移動，因此，它對樓面的地震豎向效應(yīng)也不同于活荷載。

4 現(xiàn)行抗震理論關(guān)于豎向地震效應(yīng)計(jì)算的缺陷

(1)從地震災(zāi)害上統(tǒng)計(jì)，未見一例豎向地震效應(yīng)破壞現(xiàn)象，而現(xiàn)行抗震理論計(jì)算的結(jié)果是應(yīng)該有豎向地震效應(yīng)破壞之例，因此，該理論不符合現(xiàn)實(shí)情況。

(2)現(xiàn)行抗震理論對豎向地震效應(yīng)的計(jì)算原理同水平地震效應(yīng)，現(xiàn)行抗震理論無法區(qū)別豎向地震效應(yīng)與水平地震效應(yīng)。

(3)建筑物結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度小于或遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的豎向剛度與樓板、梁豎向剛度之和;加上樓面荷載的特殊性，現(xiàn)行抗震理論關(guān)于豎向地震效應(yīng)的計(jì)算值得商榷。

(4)由于建筑物的地震反應(yīng)由建筑物與該建筑物所接收到的地震波決定，因此，場地土與建筑物的地震反應(yīng)無關(guān)，而現(xiàn)行抗震理論無法考慮場地土的影響。場地土只影響或者決定地震波傳遞規(guī)律。

(5)現(xiàn)行抗震理論關(guān)于豎向地震效應(yīng)的計(jì)算對象是特指的，對于未涉及的對象，也是無法計(jì)算的，因此現(xiàn)行抗震理論存在缺陷。

(6)現(xiàn)行抗震理論計(jì)算結(jié)果是間斷的，夾雜了許多人為因素、經(jīng)驗(yàn)和地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)，因此，現(xiàn)行抗震理論有待于進(jìn)一步修改完善。

5 結(jié)束語

本文分析了地震災(zāi)害，闡述了建筑結(jié)構(gòu)的豎向動力特性，分析、論述了現(xiàn)行抗震理論對豎向效應(yīng)的可行性。本文認(rèn)為現(xiàn)行抗震理論關(guān)于豎向地震效應(yīng)的研究是錯(cuò)誤的，值得人們進(jìn)一步研究。本文提出一些新的觀點(diǎn)，未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，歡迎同行批評指正。