土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震問題分析

朱麗佳

【摘要】我國是一個地震高發(fā)的國家，建筑的抗震設(shè)計對于減輕人員與財產(chǎn)損失具有十分重要的意義，我國建筑抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計與發(fā)展來講雖然進步很大，但是仍有許多不足之處，主要是建筑抗震規(guī)范與我國實際情況存在部分脫節(jié)，建筑抗震設(shè)計從業(yè)人員整體上素質(zhì)不高，缺乏對高層重要建筑的抗震方案設(shè)計能力，在場地與材料選擇方面缺少專業(yè)能力。針對這些情況，應(yīng)當(dāng)從優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)體系、重視建筑場地選擇、建立多道抗震防線等方面加強改進。

【關(guān)鍵詞】抗震;結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)體系

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.07.065

引言：

地震是對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重損壞，帶來巨大損失的自然現(xiàn)象。隨著全球城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市的土地越來越少，土地價格越來越高，高層建筑的高度越來越高，地震帶來的損失也越來越大。1976年唐山大地震造成24萬多人死亡，經(jīng)濟損失不可估量;1995年日本阪神大地震造成六千余人死亡，經(jīng)濟損失和重建費用高達2000億美元以上;2008年我國汶川地震造成約7萬人死亡，僅直接經(jīng)濟損失就高達上萬億元人民幣。如果建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計達不到抗震設(shè)防的標準要求，在地震中將帶來嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此需要高度重視建筑結(jié)構(gòu)抗震問題，確保抗震性能符合規(guī)范要求。

1、抗震理論的發(fā)展狀況

1.1世界抗震理論發(fā)展過程

建筑工程抗震設(shè)計根據(jù)人類力學(xué)理論和建筑設(shè)計理論的發(fā)展變化，主要經(jīng)歷了靜力彈性分析、反應(yīng)譜分析和動力分析三個階段。

（1）靜力理論階段。在上世紀除提出，這種方法將地震作用簡化為靜力，取自身重力模擬水平地震作用，該方法較為原始，在地震多發(fā)的日本最早應(yīng)用。1900年，日本學(xué)者大森房吉提出了該理論，認為估計地震力時，暫時不考慮其動力學(xué)特性，假設(shè)結(jié)構(gòu)為剛性， 地震的作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)建的質(zhì)心處，將地震作用簡化為一個常數(shù)，并在該理論的基礎(chǔ)上提出了“家屋耐震構(gòu)造論”。這種理論對于木質(zhì)、底層的日式民用建筑具有一定的適應(yīng)性，并作為抗震設(shè)計的鼻祖，開創(chuàng)了抗震結(jié)構(gòu)計算的先河，在此基礎(chǔ)上，日本先后衍生出剛性理論、柔性理論兩種抗震理論，在這兩種理論基礎(chǔ)之上，日本陸續(xù)發(fā)展處消震隔震減震理論、能量耗散理論和抗震設(shè)計的能量理論等雛形。

（2）抗震設(shè)計反應(yīng)譜理論階段。這種理論在靜力理論的基礎(chǔ)上加以改進，伴隨著地震觀測和記錄數(shù)據(jù)越來越多，研究的科學(xué)性也在逐漸增強，1933年，美國的第一臺強震記錄儀成功記錄到了長灘地震的數(shù)據(jù)，并在后續(xù)數(shù)十年的地震觀測提供了較多的理論數(shù)據(jù)支持。

該理論自上世紀五十年代提出，結(jié)合了當(dāng)時建筑力學(xué)的最新研究成果，考慮了結(jié)構(gòu)動力特性與地震動特性之間的動力關(guān)系，考慮了結(jié)構(gòu)自身特性所引起的共振效應(yīng)，該方法為現(xiàn)代地震設(shè)計理論的基本雛形，并一直沿用至今。

（3）動力理論階段。這種方法進一步考慮了動力分析的方法，并把動態(tài)應(yīng)用和動態(tài)設(shè)計應(yīng)用到抗震計算中。這種方法的出現(xiàn)主要得益于計算機技術(shù)的和試驗技術(shù)的發(fā)展，人類對各類結(jié)構(gòu)在線性和非線性反應(yīng)過程有了較多的了解，且隨著地震記錄儀在全球范圍內(nèi)的普及，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄大幅度增加。這種理論改變了靜力理論、動力理論把地震考慮成一個作用力的計算思路，把地震作用用時間維度來考慮，計算每一個時刻建筑物的反映。比傳統(tǒng)的反應(yīng)譜理論更加貼合實際，對抗震的反映更加有效。目前世界上主要國家都在抗震規(guī)范中加以應(yīng)用。

（4）結(jié)構(gòu)性態(tài)理論。這種理論于上世界末由美國和日本提出，主要考慮到了不同結(jié)構(gòu)體系面對地震時的響應(yīng)存在顯著區(qū)別，不適合一概而論，且這種理論將以往理論中的“抗震”優(yōu)化為“減災(zāi)”，強調(diào)對建筑物進行適度吸收地震能量，將人類的生命安全放于首要位置。提出了針對于不同級別地震，建筑物應(yīng)該具有不同的抗震表現(xiàn)，并始終應(yīng)當(dāng)保證人類的生命安全。世界主要國家的現(xiàn)行抗震理論均吸收了其抗震思想，包括我國的抗震三原則。

1.2中國抗震理論發(fā)展情況

我國從上世紀八九十開始進行抗震規(guī)范設(shè)計，其抗震理念的發(fā)展可以劃分為兩個基本階段，與全球的抗震理論發(fā)展基本保持一致。第一階段也是基本參照反應(yīng)譜理論和反應(yīng)譜方法作為抗震設(shè)計的計算方法。第二個階段是結(jié)合動力理論階段，同時吸收了部分彈塑性時程分析方法進行計算，與國際主流理念和方法基本上保持一致。

2010年開始，我國在結(jié)合國內(nèi)外有益經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，正式出臺了我國的抗震設(shè)計規(guī)范，主要有《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》以及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，實現(xiàn)了抗震規(guī)范的明確化和具體化，并沿用至今。

根據(jù)我國抗震規(guī)范的要求，我國抗震設(shè)計規(guī)范將抗震目標分為基本目標和性能化目標。基本目標也就是耳熟能詳?shù)拇笳鸩坏埂⒅姓鹂尚蕖⑿≌鸩粔摹Ｐ阅芑繕耸窃跐M足基本目標的基礎(chǔ)之上，根據(jù)場地、結(jié)構(gòu)、高度等具體工程、經(jīng)濟情況，提出的更為具體、靈活、可實現(xiàn)的目標，適用于有專門規(guī)定或者重大復(fù)雜的項目。

2、我國土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題

2.1抗震規(guī)范體系不完善

一方面，我國雖然已經(jīng)規(guī)定了較為完整的抗震規(guī)范體系，但在具體的實施過程中，和各地實際存在一定的脫節(jié)情況。特別是我國的抗震體系整體上是對國外先進經(jīng)驗的學(xué)習(xí)，在本土化方面出現(xiàn)了一系列不足。由于地震不像天氣預(yù)報可以進行精確預(yù)測，因此在規(guī)范制定方面，缺乏科學(xué)的規(guī)范指引，導(dǎo)致建筑抗震設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)一些脫離實際的現(xiàn)象。整體上，我國抗震安全系數(shù)還不高，抗震設(shè)計的抗震能力較差，抗震級別較低，還比不上發(fā)達國家的標準。許多高層、重要建筑普遍請國外的建筑和結(jié)構(gòu)團隊進行抗震設(shè)計。

另一方面，我國針對不同級別的高層建筑做出了專門的抗震規(guī)定。但目前，各開發(fā)商在城市土地開發(fā)中，過于追求單位面積的土地產(chǎn)出，想盡辦法提高建筑高度，以提高經(jīng)濟效益。城市規(guī)劃部門也在規(guī)劃城市地塊控高時，很少考慮抗震因素，往往以城市景觀和經(jīng)濟效益為主，很少將重大突發(fā)應(yīng)急事故納入考慮因素，導(dǎo)致一些高層建筑在地震時成為重災(zāi)區(qū)，極大的加重了生命財產(chǎn)損失。

同時，在建筑設(shè)計中，我國的建筑規(guī)范只對荷載等進行了規(guī)定，對于建筑材料耐久性缺乏相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致時間因素、環(huán)境因素等未能納入抗震規(guī)范，為抗震設(shè)計的耐久性留下了較大的安全隱患。抗震設(shè)計遠非一勞永逸，需要不斷根據(jù)時間因素考慮建筑形變進行適時調(diào)整，但目前國內(nèi)規(guī)范尚缺乏相關(guān)規(guī)定。

2.2設(shè)計水平不足

隨著當(dāng)今建筑技術(shù)的發(fā)展，也隨著大城市土地資源的日益緊張，當(dāng)今的建筑技術(shù)標新立異，越建越高，建筑形狀也越來越個性化，非幾何化，給抗震設(shè)計帶來了較大困難。過于個性化的建筑給抗震設(shè)計帶來了巨大的困難。而當(dāng)今我國設(shè)計院的抗震安全設(shè)計水平難以跟上越來越復(fù)雜的建筑造型，帶來巨大的安全隱患。

一方面我國抗震安全規(guī)范標準缺乏彈性。我國是一個幅員遼闊、建筑豐富度十分巨大的國家，但我國全國范圍內(nèi)參照同樣的抗震規(guī)范，按照“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則進行建筑抗震設(shè)計，在具體的建筑設(shè)計過程中，設(shè)計師普遍會把抗震設(shè)計參數(shù)化，通過固定的參數(shù)對建筑結(jié)構(gòu)進行，每一種類型的地震會量化為規(guī)范中統(tǒng)一的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計中無法很好的反映抗震的需求。

另一方面是整體的設(shè)計水平不高，過于保守的套標準和規(guī)范，造成了大量的結(jié)構(gòu)冗余和浪費。如，例如，在我國現(xiàn)階段的地震研究中，會對地震的降級系數(shù)進行統(tǒng)一規(guī)定，這樣就會給很小的地震賦予固定的統(tǒng)計意義。然而在實際的情況中，建筑結(jié)構(gòu)中變形的檢驗以及橫截面的具體承載能力是要根據(jù)實際的情況來進行設(shè)計的。在建筑設(shè)計中如果只是依靠統(tǒng)一的計算設(shè)計，沒有深入的考慮到建筑結(jié)構(gòu)的層次以及順序，很難使建筑抗震結(jié)構(gòu)發(fā)揮出重要的意義。同時對于不規(guī)則建筑、幾何造型復(fù)雜的建筑，設(shè)計院普遍缺乏抗震設(shè)計能力，要么帶來過多的結(jié)構(gòu)冗余，要么影響結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計水平和思路均需要提升。

2.3建筑場地與材料選擇不合理

一方面，對建筑安全來說，施工場地的選擇是影響建筑在地震時安全的重要因素，以下幾種土質(zhì)會對建筑安全產(chǎn)生嚴重影響：軟土、液化土、河流沿岸、回填土等。這些土質(zhì)由于存在軟弱粘性土壤，軟硬圖層分布不均，往往會使建筑產(chǎn)生崩塌或下陷，發(fā)生地震時建筑物結(jié)構(gòu)會瞬間被破壞。特別是現(xiàn)在城市用地條件苛刻，難以對高層、超高層建筑的土層進行選擇，在抗震條件較差的圖層上建造高層甚至超高層建筑，帶來較大的安全風(fēng)險。

另一方面，我國是地震多發(fā)國家，但是在建筑材料的選擇和發(fā)達國家相比，在理念上依然存在較大差距。鋼結(jié)構(gòu)有較高的延展性，能通過形變有效吸收地震的能量，因此在地震多發(fā)地區(qū)的建筑應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)，但受限于傳統(tǒng)建筑歷年和建造成本，是我國很多地震區(qū)域的高層建筑仍然以混凝土結(jié)構(gòu)為主。另外，對于建筑高度高于150m的高層，應(yīng)當(dāng)有三層支撐框架做支撐。而且隨著科技的進步及鋼鐵產(chǎn)能的提高，新型鋼質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)一般質(zhì)量較輕，且能夠在減少鋼架結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，提高高層建筑的防震能力。

3、提高土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的對策

3.1選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體系

建筑結(jié)構(gòu)體系對于整個建筑結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)體系選擇的科學(xué)性和合理性是抗震設(shè)計的先決因素，應(yīng)當(dāng)嚴格進行平面、縱向和整體設(shè)計。

一是做好抗震平面結(jié)構(gòu)設(shè)計。建筑的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑設(shè)計中一個很重點的設(shè)計部分，在設(shè)計中具有很高的優(yōu)先級。一方面要盡量保證建筑結(jié)構(gòu)的對稱性，使得建筑的結(jié)構(gòu)質(zhì)量在整體建筑中均勻布置。另一方面要注重保證建筑結(jié)構(gòu)的均勻性，對于剛度較大的剪力墻和電梯井等結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡量布置在建筑的中心位置，將抗震墻與抗震結(jié)構(gòu)進行相互結(jié)合，減小扭矩對建筑的影響。

二是做好抗震縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計。縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計主要關(guān)注高度、剛度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布。一方面，建筑應(yīng)當(dāng)確保剛度與建筑物沿設(shè)計的系數(shù)接近，避免剛度中斷或突變，使各個樓層出現(xiàn)剛度不均，避免建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)。另一方面，確保剪力墻布局均勻，確保剪力墻垂直方向的貫通性，中間不可以中斷，確保貫通到建筑底部。

三是做好建筑整體設(shè)計。一方面，要建筑的平面構(gòu)型中盡可能選擇簡潔和規(guī)則的形狀，如矩形或圓形，此類形狀可以極大的提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性，在整體設(shè)計師，還要盡量避免出現(xiàn)凹凸的構(gòu)型。另一方面，要盡量讓建筑的剛心和質(zhì)心保持在同一位置，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，使建筑質(zhì)量盡可能按照合理規(guī)則布置。

例如，南昌的綠地紫峰大廈高為268米，該大廈是核心筒結(jié)構(gòu)框架，對該大廈進行抗震設(shè)計時，建筑東西里面有內(nèi)凹設(shè)計，它的內(nèi)凹部分的荷載是由結(jié)構(gòu)柱支撐在跨懸臂轉(zhuǎn)換墻上。該建筑進行抗震設(shè)計時就充分的考慮到建筑的功能需求，同時進行該建筑的設(shè)計時還進奧行了反譜計算。

3.2重視建筑場地的選擇

建筑物所處位置與地質(zhì)條件是影響建筑抗震安全性能的重要因素，特別是在地震多發(fā)地帶，要格外注重合理選擇建筑場地的選擇。

一是要盡量避免對抗震設(shè)計造成不良影響的區(qū)域，如存在地震帶、地殼運動對地面造成過破壞的地段和存在滑坡隱患、地裂隱患的地段。二是要避免選擇土質(zhì)軟弱、土地液化和地質(zhì)元素分布較不均勻的地段，在粘性土質(zhì)區(qū)域和土層分布很不均勻的區(qū)域也要盡量避免。三是采取專門措施，增強不良場地上建筑的抗震安全性。如果較差的地質(zhì)條件不可避免，一定要對建筑進行專門的抗震安全設(shè)計，并針對土層特點進行針對性設(shè)計。如地段存在滑坡隱患，那么應(yīng)當(dāng)進行專門設(shè)計保持地基穩(wěn)定;如土層分布不均勻，應(yīng)當(dāng)對地基進行專門的樁基施工手段，增強建筑物上部結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性。

3.3設(shè)置多道抗震防線

抗震防線能夠有效提升建筑的抗震性能，減輕地震對建筑的破壞，一般來說，建筑物應(yīng)當(dāng)配備不止一條的抗震防線，特別是應(yīng)當(dāng)設(shè)置備用防線，確保在建筑在遭受地震影響時不至于倒塌，減少人民的生命損失。在一個良好、科學(xué)的抗震結(jié)構(gòu)體系中，應(yīng)當(dāng)確保其有不同硬度的結(jié)構(gòu)抗震破壞延展體系，并由結(jié)構(gòu)延展性較好的構(gòu)建進行連接，如框架-抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個系統(tǒng)組成，雙肢或多肢抗震墻體系由若干個單肢墻分系統(tǒng)組成。第一道防線一般應(yīng)優(yōu)先選擇不負擔(dān)或少負擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇的抗震墻、實墻筒體之類的構(gòu)件作為第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件。要正確處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強弱關(guān)系，不可以一味的以高強度構(gòu)建硬性對抗地震影響，合理配置主要耗能構(gòu)件（比如連梁、斜撐等），在其屈服后，其它主要剛度構(gòu)件仍處于彈性變形階段，有充分的變形吸收地震能量，保證主要構(gòu)建不發(fā)生塑性形變。

對于高層、重要建筑中，第一道防線一般應(yīng)優(yōu)先選擇不負擔(dān)或少負擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇軸壓比值較小的抗震墻、實墻筒體之類的構(gòu)件作為第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件。同時對于高層、重要建筑而言，結(jié)構(gòu)體系的冗余度設(shè)置尤其重要，要確保大量的地震能量能夠在冗余度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上消耗掉，保證主體結(jié)構(gòu)的安全性，且在結(jié)構(gòu)收到損壞后仍易于修復(fù)。同時應(yīng)當(dāng)設(shè)置第二道、第三道抗震防線，在第一道抗震防線被破壞時仍然有多余的冗余度保證建筑不至于徹底損壞。抗震結(jié)構(gòu)體系內(nèi)應(yīng)當(dāng)根據(jù)構(gòu)建的剛度分布，進行科學(xué)的冗余度設(shè)計，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的剛度分布規(guī)則設(shè)置屈服區(qū)，較好的吸收地震能量，滿足抗震的“三不”要求。對于建筑高度較高，或在地震多發(fā)地域建造時，可以采用剪力墻等多段強框架結(jié)構(gòu)，作為抗震的第一條防線。所以，為了保證墻體的抗震能力足以防止地震的損害，有效減少地震造成的墻體裂痕或者倒塌，就應(yīng)當(dāng)科學(xué)建立防震結(jié)構(gòu)，多層防線形成合力。而且在地震以后，每一層的剪力墻所承受的負載力應(yīng)當(dāng)是設(shè)計預(yù)期最大剪力墻的兩倍，或者要超過地震總剪力值的1/5。

3.4優(yōu)化抗震規(guī)范體系

我國的抗震設(shè)計規(guī)范依然有較大的提升改進空間，在科學(xué)性、靈活性方面應(yīng)當(dāng)充分吸納近些年的抗震經(jīng)驗，在全國范圍內(nèi)做到更有效的指導(dǎo)。一是應(yīng)當(dāng)加強靈活性，指導(dǎo)地方出臺符合各自實際的抗震規(guī)范，在滿足地震設(shè)防烈度的同時，鼓勵各地因地制宜，出臺更有靈活性更符合地方特色的抗震規(guī)范，在抗震規(guī)范中充分吸納近些年各地的抗震經(jīng)驗和全世界范圍內(nèi)的優(yōu)秀理論研究成果，避免僅以固定的系數(shù)進行抗震設(shè)計。二是加強對超高層建筑、不規(guī)則建筑等新類型建筑的抗震規(guī)范研究，目前各類新型建筑層出不窮，其抗震規(guī)范缺乏理論研究與支持，國內(nèi)建筑設(shè)計院難以勝任，應(yīng)當(dāng)將復(fù)雜、不規(guī)則建筑的建筑抗震規(guī)范盡快納入研究范圍，并在國內(nèi)推廣。

結(jié)語：

我國作為環(huán)太平洋地震帶上的國家，歷史上發(fā)生過多次重大地震災(zāi)害，給我國人民帶來了深重損失，抗震設(shè)計對于建筑來說至關(guān)重要。本文對國內(nèi)抗震情況的理論發(fā)展情況進行介紹，并整理了國內(nèi)抗震設(shè)計方面存在的一系列問題，針對這些問題，應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、場地選擇、設(shè)置抗震防線，優(yōu)化規(guī)范體系等方面進行優(yōu)化，以提升國內(nèi)的抗震設(shè)計水平，減輕地震造成的損失。

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