建筑抗震概念設計與設計規范的研究

鄭州市市政工程勘測設計研究院給水分院 王 冰

中科院建筑設計研究院有限公司 丁 南

建筑抗震概念設計與設計規范的研究

鄭州市市政工程勘測設計研究院給水分院 王 冰

中科院建筑設計研究院有限公司 丁 南

地震是地球內部介質局部發生急劇的破裂，產生地震波，從而在一定范圍內引起地面振動的現象。地震是一種隨機性振動，它有著難以把握的復雜性和不確定性，目前，人類還不能準確預測，也不能完全把握和測算建筑物在遭遇地震的特性和參數。結構所受地震作用還有許多規律未被認識，在結構內力分布方面由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等各種因素也存在不確定性。由于建筑抗震理論還沒完善，單靠計算很難確保房屋具有足夠的抗震可靠度，因此著眼于提高建筑總體抗震能力的概念設計不失為一種理性選擇。

一、抗震概念設計主要內容

建筑抗震概念設計是根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程，是一種基于震害經驗建立的抗震基本設計原則和思想。在設計時把握好能量輸入、房屋形狀、結構體系、剛度分布、構件延性等幾個方面，從根本上消除結構中的抗震薄弱環節再輔以必要的計算和構造措施提高建筑物抗震性能和足夠的抗震可靠度。人們在總結歷次大地震災害經驗中認識到：一個合理的抗震設計，在很大程度上取決于良好的“概念設計”。抗震概念設計主要有如下幾點。

2.抗震結構體系，應符合以下要求。

（1）具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。

（2）具有多道抗震防線，避免因部分結構或構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

（3）應具備必要的強度、良好的變形能力和耗能能力。

（4）具有合理的剛度和強度分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產生過大的應力集中或塑性變形集中。對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。

3.抗震結構的各類構件應具有必要的強度和變形能力（或延性）。

4.抗震結構的各類構件之間應具有可靠的連接。

“五個胡人把三四百個居民殺光，走了。他們走了，又有一批胡人來了。直到深夜，周圍才安靜下來。我想可以下去了，吃點飯，再商議往哪藏。我推了一下旁邊的兒子，兒子沒動，身體早僵硬了，我又摸女兒的臉，發現她竟被媽媽捂死了，而她媽媽，不知什么時候也被凍死了。

5.抗震結構的支撐系統應能保證地震時結構穩定。

6.非結構構件（圍護墻、隔墻、填充墻）要合理設置。

二、建筑抗震設計規范

1.1990年1月開始施行的《建筑抗震設計規范》GBJ11-89（以下簡稱89規范）中列出了工程設計中必須遵守的規定，來保證“概念設計”在實際工程中的實現。

概念設計在實際工程設計中提高結構抗震能力方面發揮了重要作用。概念設計就是以工程概念為依據從有利于提高結構抗震力的概念上，用符合工程客觀規律和本質的方法，對所設計的對象作宏觀的控制。

2.1990年以來，結構工程師將概念設計應用于實際工程中取得了很好的效果。同時隨著建筑業的發展，建筑的體型、功能的日新月異的變化與要求，我們發現89抗震規范中規定的概念設計內容不夠全面。

3.2002年1月實施的GBJ50011-2002《建筑抗震設計規范》對概念設計的要求作了更全面、更符合實際的規定，尤其是增加了“不規則建筑結構的概念設計”，使得概念設計在工程中的應用更具體更明確地落到實處，切實提高了結構的抗震能力。“概念設計”愈來愈受到國內外工程界的普遍重視。

傳統的抗震設計是依靠結構構件延性來耗散地震能量，但任何事都有它的兩面性。當結構遭遇地震時結構構件在利用它的延性和自身變形來耗散地震能量的同時構件本身也因過量變形而遭到破壞。新的抗震概念是把結構負擔重力之荷載功能與耗散能量的功能分開，讓結構主要承擔重力豎向荷載，而地震能量由安裝到結構上的特殊耗能裝置來吸收，這樣既能減少結構的側移又能保護構件免于破壞。基礎隔震可以將上部結構的地震作用數值控制在某一限度內可以減少震害，但其理論、材料和元件有待于開發和完善。

4.2008年“5.12”汶川大地震，其震害經驗表明，嚴格按照2001規范進行設計、施工和使用的建筑，在遭遇比當地設防烈度高一度的地震作用下，可以達到在預估的罕遇地震下保障生命安全的抗震設防目標。2010年12月實施的GBJ50011-2010《建筑抗震設計規范》（以下簡稱新抗震規范）對2001規范進行全面修訂，增加了抗震性能化設計的原則性規定。

三、對抗震設計合理化的建議

參照震后的建筑毀壞程度和筆者在震區的結構設計經驗，對合理的抗震設計進行總結，主要包括抗震概念設計、結構抗震計算和抗震構造措施3個方面。下面按照新抗震規范的內容歸納為以下幾點。

1.選擇對建筑抗震有利的場地，宜避開對建筑抗震不利的地段，不應在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。對于不利地段，結構工程師應提出避開要求，當無法避開時，應采取有效措施，這就考慮了地震因場地條件間接引起結構破壞的原因，諸如地基土的不均勻沉陷、地震引起的地表錯動與地裂。

2.建筑的平立面布置應符合概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的方案。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。借鑒國際的通行做法，參考外國規范，使我們的設計更加完善合理。

3.結構材料選擇與結構體系的確定應符合抗震結構的要求。采用哪一種結構材料，什么樣的結構體系，經技術經濟條件比較綜合確定。同時力求結構的延性好、強度與重力比值大、勻質性好、正交各向同性，盡量降低房屋重心，充分發揮材料的強度，并提出了結構兩個主軸方向的動力特性（周期和振型）相近的抗震概念。

4.盡可能設置多道抗震防線。地震有一定的持續時間，而且可能多次往復作用，根據地震后倒塌的建筑物的分析，我們知道地震的往復作用使結構遭到嚴重破壞，而最后倒塌則是結構因破壞而喪失了承受重力荷載的能力。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。例如單一的框架結構，框架就成為唯一的抗側力構件，那么采用“強柱弱梁”型延性框架，在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的變形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。

5.具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性。提高結構的抗側移剛度，往往是以提高工程造價及降低結構延性指標為代價的。要使建筑物在遭受強烈地震時，具有很強的抗倒塌能力，最理想的是使結構中的所有構件及構件中的所有桿件都具有較高的延性，然而實際工程中很難做到。

有選擇地提高結構中的重要構件以及關鍵桿作的延性是比較經濟有效的辦法。例如上剛下柔的框支墻結構，應重點提高轉換層以下的各層的構件延性。對于框架和框架筒體，應優先提高柱的延性。在工程設計中另一種提高結構延性的辦法是結構承載力無明顯降低的前提下，控制構件的破壞形態，減小受壓構件的軸壓比（同時還應注意適當降低剪壓比），提高柱的延性。

6.確保結構的整體性。各構件之間的連接必須可靠，符合下列要求。

（1）構件節點的承載力不應低于其連接構件的承載力，當構件屈服、剛度退化時，節點應保持承載力和剛度不變。

（2）預埋件的錨固承載力不應低于連接件的承載力。

（3）裝配式的連接應保證結構的整體性，各抗側力構件必須有可靠的措施以確保空間協同工作。

（4）結構應具有連續性，注重施工質量，避免施工不當使結構的連續性遭到削弱甚至破壞。

鋼筋混凝土結構是常用的結構形式，目前城市中正在建設和擬建的多層、高層建筑物大都是鋼筋混凝土結構，地震是一種自然現象，為避免它給人類帶來大的災難，要求結構工程師根據新抗震規范運用好抗震概念設計。做到結構功能與外部條件一致；充分發展先進的設計理念；發揮結構的功能并取得與經濟的協調；更好地解決構造處理；利用定量的計算進行抗震分析；用概念來判斷計算的合理性。客觀事物是多種多樣的而且都是在不斷地變化，因此對不同的客觀事物有不同的概念，隨著事物認識的不斷發展概念也在不斷的發展變化，做好鋼筋混凝土結構抗震概念設計，有著深遠的意義。