從抗震基本理念出發分析單跨框架結構體系

王艷

【摘 要】本文結合《建筑抗震設計規范》中相關條文，抗震基本理念出發，分析單跨框架結構在抗震上的不利。由于沒有多道抗震防線，側向剛度較小，結構屬于靜定結構，沒有足夠多的冗余度，地震中很容易發生脆性破壞，造成倒塌。工程中如必須采用此類結構，必需結合抗震基本理念采取相應的加強措施。

【關鍵詞】單跨框架 延性破壞 防線 側向剛度 超靜定次數

1 單跨框架結構

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）6.1.5條，“甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構”在本規范條文說明6.1.5中，對單跨框架結構的解釋為“框架結構中某個主軸方向均為單跨，也屬于單跨框架結構；某個主軸方向有局部的單跨框架，可不作為單跨框架結構對待”，也就是說，有單跨框架不一定就是單跨框架結構，只有在框架結構中，某個主軸方向均為單跨框架，或者兩個多跨框架之間的最大距離超過下表規定時，才可認定為單跨框架結構（表1中數據來自朱炳寅《建筑抗震設計規范的應用與分析》）

2 抗震設計理念

結構抗震設計理念最基本的應該是避免地震中的脆性破壞，也就是說，在破壞之前，地震能量先使一部分構件屈服，此部分屈服降僅低了結構超靜定次數，產生延性破壞而非徹底的脆性破壞。我們抗震中堅持的“墻柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件”等設計準側也正是為了在實際設計體現這一抗震理念。

3 結構體系設置在抗震理念方面的體現

3.1多道抗震防線

如果建筑物采用的是僅有一道防線的結構體系，一旦該防線破壞后，在后續的地震作用下，就會導致建筑物的倒塌，特別是當建筑物的自振周期與地震特征周期相近時，建筑物會由此產生共振，更加速了其倒塌過程。

相反，如果建筑物采用多重抗側力體系，第一道防線的抗震力構件破壞后，第二道乃至第三道防線的抗側力構件立刻接替工作，，抵抗后續地震力沖擊，進而可以保證建筑物最低限度的安全，避免倒塌。在地震周期方面，多道防線更是有利，第一道防線若因共振破壞，第二套接替后，建筑物的自振周期將發生大幅改變，與地震特征周期值錯開，從而阻止持續的共振，避免倒塌。

單跨框架結構即為僅一道防線的結構體系，由于單跨框架兩框架柱均承擔較大豎向荷載，負有支撐整個結構的責任，若框架柱一旦破壞，整個結構將面臨徹底倒塌，沒有任何其他安全保障。

3.2足夠的側向剛度

根據結構反應譜分析理論（i=1，2，3…n， i=1，2，3…m），其中：

—j振型i質點的水平地震作用標準值；—相對于j振型自振周期的影響系數（見圖1）；—j振型i質點的水平相對位移；—j振型的參與系數。

圖1：地震影響力系數曲線

由公式及圖1曲線看，自振周期越長，結構在地震作用下的加速度反應越小，即地震影響系數越小，結構所受到的地震作用就越小。也就是說結構越柔越好一些。但是，公式中值同樣對地震作用有線性影響，就國內外震害研究看來，對于一般高層建筑來講，結構越柔，地震時變形越大，較大的層間位移反而導致結構主體破壞嚴重， 同時非結構構件，如隔墻和維護結構等均破壞嚴重，經濟損失慘重，且危及人身安全。

框架結構相對于框架-剪力墻結構等側向剛度較大的結構體系，側向剛度較小，而單跨框架側向剛度就更小了，尤其對于層數較多的高層建筑，此類結構在抗側剛度上很難達到限值要求。

3.3足夠的超靜定次數

在結構抗震設計上，防止倒塌是最低目標，也是最重要和必須保證的要求。而結構倒塌基本上都是結構構件破壞以后結構體系無后續保障直接變為機動體系的結果。因此，結構的冗余度越多，即結構超靜定次數越多，結構體系進入倒塌的過程就越長，結構安全越有保障。

首先，從能量消散的角度，地震過程中，結構上沒增加一個塑性鉸，就必然會多消耗一部分地震作用傳來的能量，這樣整個結構中可出現塑性鉸的部位越多，就越能經受較強的地震作用而不倒塌，結構超靜定次數越多，潛在塑性鉸的數量就越多，結構的抗震安全度就越高。

另外，從結構傳力路徑上來看，超靜定結果要遠遠優于靜定結構。對于靜定結構，傳力路徑是單一的，一點其中某一構件或局部節點發生破壞，整個結構就會因為傳力路徑破壞而失效。而超靜定結果，在超負荷狀態工作時，破壞首先發生在冗余構件上，地震作用力還可以通過其他路徑傳遞下去，后果僅僅是降低了超靜定次數，整個結構體系仍然是穩定的，并具有一定的抗震能力。

單跨框架結構屬于靜定結構，受力形式及傳遞路徑單一，一旦某一構件或節點發生破壞，整個結構將面臨倒塌的危險，很容易重大的財產損失及人員傷亡。

4 結語

由以上理論分析以及實際中震害研究表明，單跨框架結構，尤其是層數較多的高層建筑，在地震中震害比較嚴重。因此，應按規范要求，對于高層結構，抗震設計的框架結構不應采用超靜定次數低的單跨框架。對于一般非高層建筑，當必須采用單跨框架結構時，應采取設置支撐、增加柱子翼墻或少量的鋼筋混凝土抗震墻等加強措施，以保證結構具備盡可能多的冗余度，較強的側向剛度以及多道防線，以防止倒塌災害發生。

參考文獻：

[1]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010.中國建筑工業出版社，2010.

[2]朱炳寅.《建筑抗震設計規范應用于分析》.中國建筑工業出版社，2011.

[3]黃世敏，楊沈等.《建筑震害與設計對策》.中國計劃出版社，2009.