關于地震豎向效應的探討

劉東波

(攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617023)

最近幾十年，國際國內頻繁發生地震，自二十世紀七十年代以來發生了七級以上地震十多次，唐山地震、松潘地震、阪神地震、臺灣地震、汶川地震、智利地震……。從震災上分析，災害各種各樣，無統計規律可言。人類由地震災害總結、完善、尋求抗震理論的時代已經過去。對現行抗震理論質疑聲越來越強烈。本文從下面幾個方面探討地震豎向效應的有關問題，與同行商榷。

1 地震災害簡述

根據二十世紀七十年代以來的震害資料、圖片，以及部份現場勘察，地震災害豎向結構受損，似乎無統計規律了。

1976年唐山地震災害總結時，提出了現澆結構比預制結構抗震性能好，當時的抗震規范依此進行了修正。后來的阪神地震災害總結時，得到了預制結構比現澆結構抗震性能好，那么，到底哪種結構形式好呢?無人回答。唐山地震災害總結時得到框架結構比磚混結構的抗震性能好，但是筆者在麗江地震災害總結中得到了:磚混結構比框架抗震性能好，江油地震的震害表現為框架結構比磚混結構抗震性能好。唐山地震災害總結時得到“窖洞”(拱形)屋面、過梁和磚、鋼筋磚過梁抗震性能差，且在新的抗震規范中，取消了這種結構及構造，但在麗江地震中，發現一棟“窖洞”形屋面、磚過梁的建筑完好無損，震后正常使用。

從震害上看，幾乎全是豎向結構受傷、損、壞，未見一例梁的跨中傷、損、壞。未見一例板跨中傷、損壞。框架的支座有傷損，但建筑物的倒塌不是由于梁的支座傷、損，而是柱的破壞導致的。大跨度的梁也未見到跨中破壞之現象。

2 現行抗震理論關于豎向地震的論述及分析

現行抗震理論以地震的水平效應研究為主，附帶地簡述了地震豎向效應，認為地震的豎向效應同地震的水平效應。在現行抗震規范——建筑抗震設計規范GB 50011——2001(2008年版)——僅在5.3節分三部分進行論述。關于“規范”對豎向地震效應的論述，我們可以看出下面幾方面的問題。

(1)建筑物的豎向地震效應僅考慮9度時，那么9度以下為什么不考慮呢?相關的教科書，也未涉及這方面的論述?！耙幏丁边€強調了9度時的豎向地震效應計算，那么，大于9度之上呢?當然，現行“規范”，或者人類認知的地震強度是9度及其以下，對于9度以上的地震，只有聽天由命了。

(2)地震豎向效應僅限于高層建筑，那么，多層建筑、超高層建筑就可以不計算嗎?若此，怎么從豎向地震效應上區分多層建筑、高層建筑、超高層建筑呢?關于這方面，現行“規范”在今天以前無法解決這個問題。

(3)關于豎向地震效應計算，“規范”給出計算公式，這個公式的計算結果與水平地震效應相同。按這個結果現實中應該是，9度區的高層建筑物的水平震害與豎向震害相同，可是，現實中不是這種情況?！耙幏丁睘槭裁匆黾右粋€“增大系數1.5”，增大系數“1.5”的理論依據是什么?

(4)對于特殊屋蓋結構，“規范”僅涉及平板型網架屋蓋，那么，拱型網架、桁架屋面呢?

(5)對于大跨度的屋架，“規范”僅涉及了跨度大于24 m的屋架，那么，小于等于24 m跨度的屋架，豎向地震效應又是多少，是否小到工程可以忽略的程度?

(6)對于平板型網架屋蓋和跨度大于24 m的屋架，“規范”只涉及了8、9兩度，那么，對于6、7兩度，其豎向地震效應是多少呢?其值真的可以忽略不計嗎，大于9度又怎么辦呢?

(7)“規范”表5.3.2給出了平板型網架、鋼屋架、鋼筋混凝土屋架在8、9度，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場地條件下的豎向地震作用系數。從表中可以看出場地土越硬，豎向地震作用系數就越小，這個系數是根據反應譜理論給出，至于這個系數是否與實際相符，就無人知曉了，因為人類現在還未認識地震波在場地土中的傳遞規律。當然，建筑物的地震反應僅由建筑物所在場地(點)的建筑物所接受到的地震波決定。從這個意義上講，某一棟建筑物經歷了某一次地震的地震反應與場地土的軟硬無關。

(8)關于長懸臂和其他大跨度結構，一是結構界限不清，二是與場地土無關。

3 建筑物的結構動力特性

(1)對于框架結構的建筑物，其層間的抗側移周期(某一層的質量與該層的剛度組成的周期)與層間的豎向周期之比為1∶0.1～1∶0.01;對于剪力墻結構的建筑物，其層間的抗側移周期與層間的豎向周期之比為1∶1～1∶10;對于磚混結構的建筑物，其層間的抗側移周期與層間的豎向周期之比為1∶0.6324。

(2)對于建筑物的豎向地震效應，除了考慮結構的豎向剛度外，樓板、梁的豎向振動不可忽略?，F行抗震理論無法考慮這一點。按第三部分的敘述，現行抗震理論在計算建筑物豎向地震效應時還是假定了樓面豎向剛度無窮大。樓面的豎向剛度遠大于結構的抗側移剛度，梁的豎向剛度大于結構的抗側移剛度。樓面上的荷載小于結構上的荷載。在地震時樓面上的活荷載并不象恒載那樣起作用。因此，在地震時，活荷載對樓面的效應不同于恒載。人的自重也屬活荷載，但是由于人在地震發生時會移動，因此，它對樓面的地震豎向效應也不同于活荷載。

4 現行抗震理論關于豎向地震效應計算的缺陷

(1)從地震災害上統計，未見一例豎向地震效應破壞現象，而現行抗震理論計算的結果是應該有豎向地震效應破壞之例，因此，該理論不符合現實情況。

(2)現行抗震理論對豎向地震效應的計算原理同水平地震效應，現行抗震理論無法區別豎向地震效應與水平地震效應。

(3)建筑物結構的抗側移剛度小于或遠小于結構的豎向剛度與樓板、梁豎向剛度之和;加上樓面荷載的特殊性，現行抗震理論關于豎向地震效應的計算值得商榷。

(4)由于建筑物的地震反應由建筑物與該建筑物所接收到的地震波決定，因此，場地土與建筑物的地震反應無關，而現行抗震理論無法考慮場地土的影響。場地土只影響或者決定地震波傳遞規律。

(5)現行抗震理論關于豎向地震效應的計算對象是特指的，對于未涉及的對象，也是無法計算的，因此現行抗震理論存在缺陷。

(6)現行抗震理論計算結果是間斷的，夾雜了許多人為因素、經驗和地震災害統計，因此，現行抗震理論有待于進一步修改完善。

5 結束語

本文分析了地震災害，闡述了建筑結構的豎向動力特性，分析、論述了現行抗震理論對豎向效應的可行性。本文認為現行抗震理論關于豎向地震效應的研究是錯誤的，值得人們進一步研究。本文提出一些新的觀點，未經試驗驗證，歡迎同行批評指正。