結(jié)合震害論述抗震設(shè)計基本概念的重要性

陸曼華

（大連化工研究設(shè)計院，遼寧 大連 116023）

我國是一個地震頻發(fā)的國家。每次大的地震，都會給人民的生命財產(chǎn)造成巨大的損失，究其原因并不是地震本身直接造成的，而是由于我們建造的房屋沒能抵御地震的影響，抗震能力薄弱而造成垮塌，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。所以作為一名房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該掌握結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本概念，使房屋結(jié)構(gòu)在預(yù)估的地震作用下實現(xiàn)大震不倒、中震可修、小震不壞的基本設(shè)防目標，防止地震對人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。

1 建筑抗震設(shè)計的基本思想

首先要在設(shè)計中保證在規(guī)定的荷載下結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，具有一定的強度，保證安全，又要有足夠的剛度，結(jié)構(gòu)變形在使用允許的范圍之內(nèi)。在這個前提下，還要保證結(jié)構(gòu)在遭遇地震荷載下能避免人員傷亡，減少經(jīng)濟損失。我國為此制定的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB5001—2001（2010版）以下簡稱《抗震規(guī)范》規(guī)定其抗震設(shè)防目標是：“當遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；當遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。”即常說的“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

2 房屋震害的主要表現(xiàn)

從國內(nèi)外近幾年來地震后房屋的震害來看，可大致歸納為以下幾個震害表現(xiàn)：

2.1 場地地基方面

1）斷層錯動、滑坡、地陷等地面變形對建筑物的破壞非常嚴重，工程場地選址時要注意避開抗震危險地段。

2）砂土液化引起地基不均勻沉陷，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的場地上，高層建筑的破壞率顯著增高。

4）當建筑的基本周期與場地的卓越周期相近，破壞程度將因共振效應(yīng)而加重。

2.2 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）有大底盤的高層建筑，裙房頂面與主樓相連處樓板面積突然減小的樓層，破壞程度加重。

3）房屋高寬比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)生剪壓破壞。

4）相鄰結(jié)構(gòu)或毗鄰建筑，因相互間的縫隙寬度不夠而發(fā)生碰撞破壞。

2.3 結(jié)構(gòu)體系方面

1）相對于框架體系而言，采用框—墻體系的房屋，破壞程度較輕，特別有利于保護填充墻和建筑裝修免遭破壞。

2）采用“框架結(jié)構(gòu)＋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，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而發(fā)生短柱型剪切破壞。

3）采用鋼筋混凝土板柱體系的房屋，或因樓板沖切破壞，或因樓層側(cè)移過大，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，相對柔弱的底層，破壞程度十分嚴重；采用“框架結(jié)構(gòu)＋填充墻”體系的房屋，當?shù)讓訛殚_敞式的純框架，底層同樣遭到嚴重破壞。

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

2.4 剛度分布方面

1）采用L形、三角形等不對稱平面的建筑，地震時因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重。

2）矩形平面建筑，電梯間豎筒等抗側(cè)力構(gòu)件的布置存在偏心時，易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。

2.5 構(gòu)件形式方面

1）鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻（過梁）常發(fā)生斜向裂縫或交叉裂縫。

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。

3）鋼筋混凝土框架，如在同一層中出現(xiàn)長、短柱并用的情況，短柱破壞嚴重。

4）配置螺旋箍的鋼筋混凝土柱，當層間位移角達到很大數(shù)值時，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的豎向承載力；形成對照的是，配置方形箍的鋼筋混凝土柱，箍筋崩開，核心混凝土破壞脫落。

2.6 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勻，發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞；豎向布置不合理易導(dǎo)致建筑豎向剛度突變，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）附著于樓屋面的機電設(shè)備，女兒墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，地震時容易倒塌或脫落傷人，設(shè)計時應(yīng)采取與主體結(jié)構(gòu)可靠的連接與錨固措施。

鑒于以上地震時房屋的震害表現(xiàn)，我們在著手設(shè)計某個房屋時，首先應(yīng)該強調(diào)抗震概念設(shè)計的必要性。

3 抗震概念設(shè)計的幾個方面

3.1 應(yīng)該合理選擇工程場址

如果工程場址選擇不當，地震時地面運動劇烈，對建筑物產(chǎn)生的破壞作用也是相當大的，如果單靠工程措施來防止建筑物發(fā)生破壞，不但很難達到，而且造價相當高。因此，選擇工程場地首先應(yīng)該詳細勘察，搞清地形，地質(zhì)情況，選擇對建筑物有利的地段，避開對建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險地段上建造建筑物。

我國抗震設(shè)計規(guī)范第4.1.7條明確規(guī)定，對建筑抗震有利的地段主要指基巖，堅硬土，開闊、平坦、密實、均勻的中硬土等。對建筑抗震危險的地段主要指地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地裂、泥石流等以及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯位的部位。因此，在進行山區(qū)建筑設(shè)計時尤其應(yīng)重視場地地質(zhì)條件的情況，還應(yīng)注意避免在局部突出地段上建造建筑物，因為孤山效應(yīng)的作用，在突出山頂上的地震作用要比坡腳下的地震作用大很多，抗震規(guī)范規(guī)定地震效應(yīng)放大系數(shù)為1.1～1.6。避免建筑物建造在抗震薄弱地帶，如果遇有砂土地基尤其應(yīng)注意地下水位及地震液化判別，避免地震時地基液化，引起建筑物基礎(chǔ)失效引起的整體結(jié)構(gòu)破壞。

3.2 建筑和結(jié)構(gòu)的布置原則

一幢建筑物的動力特性取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。如果布置合理、簡單，地震時就具備良好的抗震性能，各部位受力均勻，不致發(fā)生破壞，如果建筑物布局奇特多雜，地震時就容易存在應(yīng)力集中（在結(jié)構(gòu)薄弱處）使這個部位首先發(fā)生破壞，進而影響整棟建筑物的抗震性能。國內(nèi)外的許多震害實例也表明：凡是房屋體形不規(guī)則，平面上凹凸不平，立面上高低錯落，地震時破壞都比較嚴重，房屋體形簡單整齊的，震害都比較輕。因此無論對建筑師還是結(jié)構(gòu)師而言，在地震區(qū)進行房屋建設(shè)的工程設(shè)計中，應(yīng)首先選用簡單、均勻、規(guī)則、對稱的建筑結(jié)構(gòu)，尤其有內(nèi)折角的建筑抗震性能較差，應(yīng)盡量避免采用，因為在內(nèi)折角處容易發(fā)生應(yīng)力集中而使這一部位首先破壞，有資料顯示，這樣的結(jié)構(gòu)在地震時的破壞率達42%。因此，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)注意以下幾個方面：

1）平面形狀。有利于抗震的房屋建筑的平面形狀應(yīng)以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形次之；L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面較差。

2）豎向體形。有利于抗震的建筑豎向體形變化要均勻，即為矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀，避免剛度突變，因為在剛度突變的位置地震時，就會因劇烈震動或塑性變形集中效應(yīng)而加重破壞。

歷次震害表明，在大底盤上的高層建筑，當?shù)讓咏ㄖ狗颗c主樓相連，沒有設(shè)縫，體形突變引起剛度突變，使主樓底部接近裙房屋面的樓層變成相對柔弱的樓層，地震時因塑性變形過大，產(chǎn)生過大豎向位移，導(dǎo)致嚴重破壞。據(jù)此，在我們現(xiàn)在設(shè)計的樓盤中，由于私家車增多，停車是一個較嚴重的問題，因此，大量建筑物下建地下停車庫，房屋均建在一個大底盤上，這就提醒我們設(shè)計者應(yīng)重視靠近地下室頂板樓層的剛度，應(yīng)適當加大，否則地震時會因變形過大而破壞。

3）房屋高度與高寬比

一般來講房屋越高，地震時所受的地震力和傾覆力矩愈大，破壞的可能性也就愈大，有國外的震害表明，倒塌率高的是10～15層的樓房。因此在抗震設(shè)計中，應(yīng)該重視房屋的高寬比，因為高寬比越大，建筑物越瘦高，在地震力作用下側(cè)移愈大，地震引起的傾覆作用越嚴重，較大的傾覆力矩在柱中和基礎(chǔ)中引起的壓力和拉力比較難于處理。

4）毗鄰建筑

在歷次地震中都有相鄰建筑物碰撞發(fā)生破壞的事例，主要是相鄰建筑物的縫隙不符合抗震縫的要求，地震時相鄰兩建筑之間的變形大于縫隙寬度而發(fā)生碰撞破壞。因此在設(shè)置防震縫的寬度時，應(yīng)按照抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，2010版抗震規(guī)范規(guī)定最小為100mm，2008版抗震規(guī)范最小為70mm。

3.3 結(jié)構(gòu)布置不合理與震害

一般來講，對稱結(jié)構(gòu)在地面平動作用下，僅發(fā)生平移振動，各構(gòu)件的側(cè)移相等，水平地震力按構(gòu)件剛度分配，各構(gòu)件受力比較均勻。而非對稱結(jié)構(gòu)，如果剛心偏向一面，質(zhì)心與剛心不重合，在地面平動作用下，也會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，并且離剛心較遠的構(gòu)件，側(cè)移量比較大。如果變形超過允許時，就會發(fā)生破壞，甚至倒塌。

因此我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，當布置有較大抗側(cè)剛度的剪力墻和筒體時，應(yīng)注意力求在平面上居中對稱，抗震墻宜沿房屋周邊對稱布置，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心基本重合，具有較強的抗扭剛度和較強的抗傾覆能力。

4 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計措施

了解了建筑物發(fā)生震害的因素，我們在結(jié)構(gòu)設(shè)計中就應(yīng)該著重注意以下幾個方面：

1）盡量設(shè)計建筑的平立面外形尺寸比較規(guī)則的建筑物，抗側(cè)力構(gòu)件布置合理，質(zhì)量分布規(guī)則，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB5001—2001（2010版）第3.4.1條提出，“建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求明確建筑體型的規(guī)則性。不規(guī)則的建筑應(yīng)按規(guī)定采取加強措施；特別不規(guī)則的建筑方案應(yīng)進行專門研究和論述，采取特別的加強措施；嚴重不規(guī)則的建筑不應(yīng)采用。”并作為強制性條文，要求業(yè)主、建筑師和結(jié)構(gòu)工程師必須嚴格執(zhí)行，并且詳細給出令了不規(guī)則建筑方案的基本類型。

2）盡量采取合理的防震縫寬度

由于地震時位于防震縫兩側(cè)的建筑物動力特性不一致，變形不同，會產(chǎn)生碰撞而發(fā)生破壞，故應(yīng)盡量調(diào)整建筑平面形狀和尺寸。在構(gòu)造上和施工上采取措施盡可能不設(shè)縫。如必須設(shè)縫時，應(yīng)按規(guī)范及實際情況，留有足夠的寬度，防止地震時縫兩側(cè)建筑變形不一致發(fā)生碰撞破壞。

3）設(shè)置多道抗震防線

地震時，當結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線破壞后，應(yīng)有第二道、第三道防線，進而保證建筑物的最低限度安全，避免倒塌，一般情況下，應(yīng)將抗側(cè)力構(gòu)件作為第一道抗震防線。因此我們就應(yīng)該合理地設(shè)置抗震墻，不宜用軸壓比較大的柱作為第一道防線。

4）結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗側(cè)剛度

從國內(nèi)外的震害經(jīng)驗來看，剛度較大的房屋震害較輕，而且地震時變形小，隔墻及圍護墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到保護，破壞也較輕。因此我們在做設(shè)計時，應(yīng)按規(guī)范給定的結(jié)構(gòu)變形允許時進行設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度。

5）結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的冗余度

對于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計來說，防止倒塌是我們的最低目標，也是重要的必須得到保證的要求。結(jié)構(gòu)的冗余度（即超靜定次數(shù)）越多，吸收消耗地震的能量就越多，就能延長結(jié)構(gòu)變成機動體系的時間或不使結(jié)構(gòu)變成機動體。從這個角度講，單跨框架的結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)少，冗余度小，應(yīng)盡量避免采用。

6）妥善處理非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件中由于不是結(jié)構(gòu)主體的一部分，其抗震設(shè)計時容易被忽略，但在實際震害中，往往有很多非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體連接不好，或強度不足也容易發(fā)生破壞，倒塌傷人。因此在設(shè)計中應(yīng)格外注意，首先在計算中就要注意鞭梢效應(yīng)的影響，地震力放大系數(shù)取3，并滿足強度和剛度的設(shè)計要求。

綜上所述，抗震概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的一環(huán)，比起計算來講更重要，因為抗震概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施是保證結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大震不倒、中震可修的重要手段，作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)充分理解抗震概念設(shè)計的重要性，并體現(xiàn)在具體的工程設(shè)計中，保證在地震中，人民的生命和財產(chǎn)不受重大損失，這也是每個結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)盡的職責(zé)。

［1］ 黃世敏，楊沈.建筑震害與設(shè)計對策［M］.北京：中國計劃出版社，2009

［2］ GB 50011—2008建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］

［3］ GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］