試論現行結構設計中的抗震問題

婁學軍

（河南省萬安工程建設監理有限公司 河南 鄭州450000）

1 我國建筑抗震設計存在的問題

1.1 承重柱截面高度設計過小

這種情況多發生于六度抗震設防區。一些結構設計得誤認為六度設防就是不設防，不圖受力分析方便，他們故意把柱子的截面高度設計得過小，使梁柱的線剛度比加大(因一些結構設計手冊中規定：當梁柱的線剛度比大于4時計算簡圖中梁柱節點可簡化為鉸支)。把梁簡化為鉸支梁，柱按軸心受壓計算。這種做法雖然易于進行結構受力分析，但卻給房屋結構埋下了隱患。因為這樣做忽略了梁柱問的剛結作用，即忽略了柱對消化酶的約束彎矩，加之以柱截面的配筋都較小，結構一旦受力后，柱頂抗彎強度必然不足，從而柱子而梁底附近將會出現一條或多條水平裂縫，形成塑性餃。這樣在正常使用情況下，柱子已開始帶餃工作。這不但影響了房屋的耐久性，而且也常常引起用戶的恐懼心理更為嚴重的是，這樣的結構一理遭遇地震作用時，將會倒塌，這違背了現行抗震規范中“強柱弱梁”的設計原則。

1.2 結構與材料的選用

我國150m以上的建筑，采用的三種主要結構體系（框-筒、筒中筒和框架-支撐體系），都是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外，特別在多發生的地震區，都是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了90%。如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大地震作用的考驗。在高層建筑中采用框架--核心筒體系，因其比鋼結構的用鋼量少，又可減少柱子斷面，故常被業主所看中?；旌辖Y構的鋼筋混凝土內簡往往要承受80%以上的震層剪力，有的高達90%以上。由于結構以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準。但因其彎曲變形的側移較大，靠剛度很小的鋼框架協同工作減小側移，不僅增大了鋼結構的負擔，且效果不大，此外，在結構體系或柱距變化時，需要設置結構轉換層。加強層和轉換層都在本層形成大剛度而導致結構剛度突變，常常會使與加強層或轉換層相鄰的柱構件剪力突然加大，加強層伸臂構件或轉換層構件與外框架柱連接處很難實現強柱弱梁。因此在需要設置加強層及轉換層時，要慎重選擇其結構模式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。

在高層建筑中，應注意結構體系及材料的優選。建議盡可能采用鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土（柱）結構或鋼結構，以減小柱斷面尺寸，并改善結構的抗震性能。在超過一定高度后，由于鋼結構質量較小而且較柔，為減小風振而需要采用混凝土材料，鋼骨（鋼管）混凝土，通常作為首選。如日本阪神地震震害說明，在鋼骨混凝土構件中，采用格構式的型鋼時，震害嚴重，采用實腹式的大型型鋼或焊接工字鋼的，則震害輕微。因此，在高層建筑結構中，若用鋼骨混凝土構件，建議采用后者。

1.3 抗震設防分類不清

混凝土結構的抗震等級定錯。主要是：框支剪力墻不區分底部加強區與非加強區的抗震等級。對短肢剪力墻、復雜高層建筑結構（帶轉換層的結構、帶加強層的結構、錯層結構、連體結構）的抗震等級提高重視不夠。

基礎的設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期）為50年（應根據《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068-2001第1.0.5條），而建筑施工圖定為100年（例如：一般高層，其根據《民用建筑設計通則》第1.0.4條，為建筑耐久年限），兩者矛盾。若結構使用年限定為100年，則結構要符合另外的要求或采取專門的有效措施。

1.4 較低的抗震設防烈度

現在許多專家學者提出，現行的建筑結構設計安全度已不能適應國情的需要，認為我國“取用了可能是世界上最低的結構設計安全度”，并主張“建筑結構設計的安全度水平應該大幅度提高”。此外，對于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個抗震設計原則，在新形勢下也有重新審核的必要。我國現行抗震設防標準是比較低的，中震相當于在規定的設計基準期內（50年）超越概率為10%的地震烈度。我國建筑結構抗震設計除了設防烈度較低外，具體抗震計算方法和構造規定的安全度也不如國外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上遠不如國外嚴格。隨著社會財富的增長，結構失效帶來的損失愈來愈大，因而有人主張結構在設防烈度下應該采用彈性設計。

1.5 存在設計高度問題

按我國現行高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2002）規定，在一定設防烈度和一定結構型式下，鋼筋混凝土高層建筑都有一個適宜的高度。這個高度是我國目前建筑科研水平、經濟發展水平和施工技術水平下，較為穩妥的，也是與目前整個土建規范體系相協調的?？蓪嶋H上，已有許多混凝土結構高層建筑的高度超過了這個限制。對于超高限建筑物，應當采取科學謹慎的態度：一要有專家論證，二要有模型振動臺試驗。因為隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍，如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。

2 我國建筑抗震設計的發展趨勢

2.1 材料參數隨機性的抗震模糊可靠度分析

該種方法從結構整體性能出發，改變過去對結構抗震可靠度的研究只考慮荷載的不確定性而忽略了其他多種不確定因素，綜合考慮了材料參數的變異性，地震烈度的隨機性及烈度等級界限的隨機性與模糊性對結構抗震可靠度的影響。其研究成果可用于對現有的結構進行抗震可靠度評估，并可用于指導基于可靠度理論的結構抗震設計。

2.2 動力時程響應分析的狀態空間迭代法

該種方法把現代控制理論中的狀態空間理論應用到高層建筑結構動力響應問題，根據結構動力方程，引人位移與速度為狀態變量，導出狀態方程，給出非齊次狀態方程的解，進而建立狀態空間迭代計算格式。經工程實例驗算，具有較高精度。特別對多自由度體系的多輸入、多輸出等問題的動力響應解法，效率較高。

2.3 基于位移的結構抗震設計

我國現行的結構抗震設計，是以承載力為基礎的設計。即：用線彈性方法計算結構在小震作用下的內力、位移；用組合的內力驗算構件截面，使結構具有一定的承載力；位移限值主要是使用階段的要求，也是為了保護非結構構件；結構的延性和耗能能力是通過構造措施獲得的。為了實現基于位移的抗震設計，第一步需要研究簡單結構（例如框架及懸臂墻）的構件變形與配筋關系，實現按變形要求進行構件設計；進而研究整個結構進入彈塑性后的變形與構件變形的關系。這就要求除了小震階段的計算外，還要按大震作用下的變形進行設計，也就是真正實現二階段抗震設計，這是結構抗震設計的發展趨勢。

2.4 隔震和消能減震設計的推廣和應用

目前我國和世界各國普遍采用的傳統抗震結構體系是“延性結構體系”，即適當控制結構物的剛度，但容許結構構件（如梁、柱、墻、節點等）在地震時進入非彈性狀態，并目具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應，使結構物“裂而不倒”。這種體系，在很多情況下是有效的，但也存在很多局限性。隨著社會的不斷發展，對各種建筑物和構筑物的抗震減震要求越來越高，使“延性結構體系”的應用日益受到限制，傳統的抗震結構體系和理論越來越難以滿足要求，而由于隔震消能和各種減震控制體系具有傳統抗震體系所難以比擬的優越性，在未來的建筑結構中將得到越來越廣泛的應用。

3 結束語

經濟與安全是結構抗震設計的重要技術。從長遠觀點看，如何從我國建筑抗震設計現狀及高層建筑抗震設計發展的趨勢出發，探求一種實用可行的二步或三步設防的合理抗震分析設計方法，應成為地震區建設發展的新方向。

[1]劉軍.抗震概念設計在一般結構設計中的實現.江蘇建筑.2006-12-30