結構抗震概念設計及抗震新技術在民用建筑中的應用

史飛，劉楊，張軍

(西南石油大學建筑工程學院，四川成都610500)

1 概念設計概述

概念是在頭腦中形成的反映對象本質屬性的思維形式，它是將所感知事物的共同本質特點抽象出來加以概括而形成，概念設計是伴隨設計的產生而產生的。如果僅僅按照規范和一般的抗震程序來進行設計，要使建筑結構的抗震設計得以符合“技術先進、經濟合理、安全使用”的原則是困難的。因此，我們必須把重點放在如何針對不同的建筑空間及環境要求，優化選擇結構的整體方案上。這就是我們所要說的建筑結構抗震方案設計中的“概念設計”

所謂的概念設計一般是指不經過計算，尤其在難以做出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構關系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、實驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從總體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念設計的近似估算方法，可以在建筑抗震設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇。這種方法雖有一定誤差，但它概念清楚、定性準確、手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案和確定主要構件的基本尺寸大小。同時，也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。在建筑結構方案抗震設計中運用“概念設計”的思想，要求結構工程師不僅僅能精確地計算分析一個已經給定的分體系或構件，更重要的是要能夠對結構總體系的承載能力和性能，以及總體系與各基本分體系(或構件)之間的力學關系有透徹的認識，從而運用整體概念去考慮總體結構的關系。

2 概念設計與結構計算關系

新修訂的《建筑抗震設計規范》(GB 50011－2001)也重視概念設計。因為隨著社會的進步，經濟的發展，建筑物隨著人口的增加越建越密集，物資財富的積累也越來越多。而且，我們的房子越做越大，結構越來越復雜，如果發生地震災害，對我們所造成的損失也會越來越大。然而隨著計算機在設計中越來越廣泛地應用，有些設計人員越來越迷信計算機的計算結果，而不注重結構的整體分析，好象計算結果滿足要求了，這個建筑物就安全了，如果不滿足，就加大配筋和斷面，結果梁越做越大，柱越做越肥，這樣做的結果，不僅造成很大的浪費，而且簡單地加大單個構件往往改變了結構構件的內力分配，不能確保結構安全。這種教訓是很多的，比如在1976年唐山地震中，天津第二毛紡廠三層的框架廠房因偏重于局部構部件的加固，沒有重視對結構總體抗震性能的分析，造成不合理的加固使抗震薄弱層發生轉移而倒塌。因此，一個只會計算而不會分析的結構工程師不是一個稱職的結構工程師，只迷信計算結果而不注重概念設計，甚至有可能把能夠避免或能減少損失的自然災害變成實際人為的災害。地震災害是比較常見的自然災害，也是破壞力很大的自然災害，設計什么樣的結構最利于抗震，作為一個結構設計人員，應該有一個清醒的概念。

3 民用建筑結構抗震概念設計的主要思想

概括地說，一個有利于抗震的建筑，首先必須有一個有利于抗震的建筑場地，它的建筑結構應該具有盡可能規則的平立面;結構體系具有合理而不間斷的傳力途徑;同時應確保結構的整體性，受到地震作用的時候構件能夠共同工作，按設計的要求達到極限狀態;構件的破壞具有一定的先后順序，必要的時候犧牲次要的結構來消耗地震能量，以保護主要結構，使人的生命和財產的損失降低到最小的程度。

3.1 避開不利地質區域

我們都知道，萬丈高樓從地起。建筑物能否有效地抵抗地震破壞，首先需要有一個堅實的地基基礎，因此，我們在選擇建筑場地的時候，應根據工程需要，掌握地震活動情況、工程地質和地震地質的有關資料，對抗震有利、不利和危險地段作出綜合評價。對不利地段，應提出避開要求;當無法避開時應采取有效措施;不應在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。地震除了直接造成結構破壞以外，還可能引起地表的錯動與地裂，地基土的不均勻沉降，滑坡和粉、砂土液化等，造成建筑物的間接破壞。一個好的建筑場地，不僅能使建筑物有效地抵抗地震的破壞，而且還能減少投資，降低成本。

3.2 協調結構與建筑設計

抗震概念設計不是結構設計人員所能完全包辦的，建筑設計師應具備一定的抗震知識。但由于專業分工不同，結構工程師往往會比建筑師更注重分析地震作用，所以，結構工程師應利用自己所掌握的知識，協助建筑方案設計人員對建筑物平立面進行合理的調整，使之既功能齊全，美觀大方，符合建筑設計的要求，又能使結構盡量規則，符合抗震設計的要求。具體地說，就是要求建筑及其抗側力結構的平面宜規則、對稱，并具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。

3.3 建筑平、立面外形選擇

歷次震害調查及力學分析表明，建筑平、立面外形尺寸突變處、質量分布突變處、豎向抗側力構件截面尺寸和材料強度突變處、由于應力集中都容易產生比較嚴重的震害，而剛度中心與質量中心的偏離容易引起建筑物的扭轉而產生比較嚴重的震害;整體性差的建筑物，如抗側力結構水平或豎向不連續(單跨或不連續框架、豎向結構轉換)、抗側力構件錯位(包括混凝土框架、混凝土抗震墻、砌體結構抗震橫墻)，由于贅余度偏少或傳力路線不順暢，抗震性能就會大幅度降低。對于不規則的建筑，在結構設計時要進行水平地震作用計算和內力調整，并應對薄弱部位采取有效的抗震構造措施。對于嚴重不規則的方案，不應采用。如果一個建筑物因為方案設計不合理而造成不必要的浪費，甚至形成安全隱患，那么，這個設計就是失敗的，因此，建筑結構規則性對于抗震是相當重要的。

3.4 結構體系選擇

建筑結構確定以后，還應該合理地選擇結構體系。結構設計人員應根據建筑的抗震設防類別、抗震設防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結構材料和施工等因素，經技術、經濟和使用條件綜合比較確定結構體系。新的《建筑抗震設計規范》(GB 50011－2001)要求結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途經，使設計人員更容易掌握和控制結構所受的地震作用，更容易發現計算結果的錯誤;在抗震設計的過程中應正確分析力的傳遞途徑，合理的分配調整內力，加強容易遭受地震破壞的結構或構件的抗震能力，避免部分結構(構件)破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力;應具備必要的抗震承載能力，良好的變形能力和消耗抗震能量的能力，這樣利用結構的變形消耗掉部分地震的能量，可以大大減輕地震作用對結構的破壞;宜有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。薄弱部位是抗震能力最弱的地方，在設計過程中，應使該部位的實際承載力和設計計算的彈性承載力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，避免由于內力重分布導致塑性變形的集中，同時還要防止加強局部而忽視整個結構的剛度和強度的協調，使它有足夠的變形能力又不發生薄弱部位的轉移;宜有多道抗震防線。在很多情況下，由于地震作用的不確定性和反復性，地震破壞是不可避免的，適當處理構件的強弱關系，使其形成多道防線，是增加結構抗震能力的重要措施。

以著名美籍華裔設計師林同炎設計的尼加拉瓜首都馬那瓜美洲銀行大樓為例，該樓18層、61 m高。由于采取了多道防線，剛柔結合的概念設計思想，通過在總體系中預設薄弱環節作為強烈地震作用下可被破壞但不影響整體安全的耗能構件保證結構的抗震性能。在1972年馬那瓜強烈地震作用下，該樓僅出現少量裂縫，經過簡單維修加固后至今仍可使用，而周圍大量建筑物倒塌，5 000多人死亡。美洲銀行大樓在馬那瓜地震中的表現充分證實了概念設計思想的創造性和前瞻性。說明以承載力、剛度和延性為主導目標，在罕遇的強烈地震作用下，通過充分發揮結構和構件的延性與耗能能力，仍可使結構具有足夠的承載能力。

概念設計不同于簡單的結構計算，不可能死套規范，但它對整個建筑物的抗震性能起著決定性的作用，進而會影響工程的造價和施工的難易程度，因此我們必須重視它。當然，強調概念設計的重要并不是結構計算就不重要，計算結果的滿足是結構安全的保證。我們強調概念設計，是為了讓建筑物能更合理、更有效地抵抗地震作用，用最低的成本，設計出更為安全的建筑。

4 建筑物抗震的新技術

4.1 隔震技術

在建筑結構中應用隔震技術是國際上熱門的工程抗震新技術。它通過把隔震消能裝置(如橡膠隔震墊)安放在結構物底部和基礎(或底部柱頂)之間，把上部結構和基礎“隔開”。這樣，改變了結構的動力特性和動力作用，明顯地減輕結構物的地震反應，達到“以柔克剛”的效果。國內外大量的試驗和工程實踐證明，隔震體系一般可使結構水平地震加速度反應下降60%左右，從而消除或有效減輕結構的地震損壞，提高建筑物及其內部人員的安全性。隔震體系具有很大的垂直承載力(50～2 000 t)及很大的垂直壓縮剛度，而其水平變形剛度較小(0.25～1.8 kN/mm)，水平極限變位值較大(10～50 cm)，它具有足夠大的初始剛度，以抵抗風荷載和輕微地震，當強地震發生時，又能自由柔性滑動，而變形過大時，剛度回升，具有保護和限位作用，鋼板夾層橡膠隔震墊具有較大的復位能力，在多次地震中自動瞬時復位。同時，它耐久性能好，一般使用壽命可在70年以上，遠遠超過一般民用建筑物50年使用壽命的要求。1994年1月17日，美國洛杉磯大地震中，該市相距不遠的兩個醫院，一個是隔震的，地震時醫師護士照常工作;另一個是不隔震的，損壞厲害，一直無法恢復工作。1995年1月17日，日本神戶大地震，該市的西部郵政大樓和松村研究所大樓等隔震房屋經受了地震的考驗，房屋結構安全完好，儀器、設備、裝修等絲毫無損。根據其特性，一般來說隔震技術主要適用于較重要的低層和多層建筑，如醫院、學校、商場、科研機構以及重要的指揮職能單位。

4.2 消能減震技術

建筑結構的消能減震技術方法是指在結構的某些部位(如支撐、剪力墻、節點、連接縫或連接件等)設置消能阻尼裝置或元件，通過消能裝置產生摩擦非線性滯回變形耗能來耗散或吸收地震能量以減小主體結構的水平和豎向地震反應，從而避免結構產生破壞或倒塌，以達到減震抗震的目的。這種方法主要用于高層或超高層建筑。隔震和消能減震技術目前在日本、美國已有了一定數量的應用，并在震害中有較好的表現。我國從九十年代開始，也以試點的方式在一些工程中應用了這些技術并取得了一些好的經驗。新的抗震設計規范已給出了隔震和消能減震技術工程應用的指導性意見，標志著這些新技術已進入實用性階段。

由于隔震和消能減震體系能使建筑上部結構承受的地震作用大幅度降低，使上部結構構件和節點的斷面、配筋減小，構造及施工簡單，從而可節省造價。

5 總結

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，對建筑結構抗震設計和抗震技術也提出了更高的要求。發展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質、環保建材的研究與應用，使建筑結構抗震設計更加安全、適用、可靠、經濟是當務之急。運用概念設計方法，可以在建筑抗震設計的方案階段就迅速有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，從而使方案概念清晰和定性正確，避免在后期設計階段出現一些不必要的繁瑣運算，具有良好的經濟性和可靠性。

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