唐山地區民用建筑物抗震性能研究

李曉杰 李 利

0 引言

中國是個多地震的國家，在中國五個地震區中，華北地震區的地震強度和頻度僅次于青藏高原地震區。華北地震區共分為四個地震帶，其中華北平原地震帶是對京、津、唐地區威脅最大的地震帶。據統計，本帶共發生 4.7級以上地震 140多次，其中1976年唐山 7.8級地震就發生在這個帶上。

地震的危害性非常大，其造成的建筑物倒塌直接給人們的生命和財產造成了巨大損失，據統計，在世界上 130次巨大的地震災害中，90%～95%的傷亡是由于建筑物倒塌造成的。地震災害學上有一句名言:“殺人的不是地震，而是建筑。”阪神大地震有人曾親眼看到一幢辦公大樓整體震倒，結構卻依然完整，樓內所有的人都是從窗戶里“走”出來的。因此，建筑物的抗震性能就顯得尤為重要，建筑物能否抗御大地震的襲擊是能否把地震災害損失降到最低的關鍵所在。

1 從結構形式分析建筑物抗震性能

1.1 多層建筑中的砌體結構和框架結構

砌體結構是唐山地區震后低層建筑物采用最廣泛的一種結構形式，此類結構屬脆性結構，抗震性能較差，在民用住宅中約占90%，直到現在許多老舊小區還有大量的此類結構的建筑物。一般低層和多層住宅主要為鋼筋混凝土制作的樓板、過梁、樓梯、陽臺等配件與磚、石等做的承重墻相結合的結構體，也稱為磚混結構。由于磚、石砌塊之間的連接較差，雖然設置了鋼筋混凝土構造柱、圈梁等加強措施，但當遇到強震時，在水平和豎向交替振動作用下，砌塊之間的連接容易被破壞，導致砌體松散，豎向受力構件破壞，建筑物垮塌，所以其抗震性能一般。

框架結構是繼砌體結構后發展的一種建筑結構形式，又叫現澆結構，它是以梁和柱來承重，它的梁、柱還有樓板都是現澆而成的。結構形式主要由鋼筋混凝土澆灌成承重梁柱，組成骨架，再用空心磚或預制的加氣混凝土、膨脹珍珠巖、陶粒等輕質板材作隔墻分戶裝配而成的住宅。墻主要是起圍護和隔離的作用，由于墻體不承重，可以用各種輕質材料制成。框架最適宜層數在 10層左右，這時候的性價比最高，一般最高不高于 18層。目前，唐山地區高層住宅的建筑結構主要采用這種方式。雖然框架結構能夠提供較為寬敞的使用空間，有利于建筑功能的組織和分割，但其抗側剛度較弱，在強震作用下易出現較大位移，導致結構產生破壞，因此也屬抗震不利結構。

1.2 多高層住宅、公共建筑中的框剪結構和鋼結構

唐山地區社會經濟的快速發展和人民生活水平的大幅提高促使住宅形態向更為舒適、方便的方向發展，板式高層住宅(10層 ～18層并聯單元式住宅)，以其通風采光好、層次豐富、視野開闊等優勢，成為當前城市住宅中的一個亮點。板式高層住宅的結構與普通高層住宅既有一定的共性又存在著較大的區別，目前本地區這種住宅多采用框架—剪力墻形式的結構。它是框架結構和剪力墻結構兩種結構體系的組合，在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力，體系的位移曲線呈彎剪型，從而減小了結構的層間相對位移比和頂點位移比，這樣不但增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻。從受力特點看，一般情況下約80%以上水平荷載主要由剪力墻來承受。由于框剪結構中的剪力墻側向剛度比框架的側向剛度大得多，使框架結構在水平荷載作用下所分配的樓層剪力，沿高度分布比較均勻，各層梁柱的彎矩比較接近。在地震作用下，破壞會局限于門窗洞口處出現裂縫，即使墻體開裂，各墻肢也可支承樓板，不會發生大規模的垮塌。

鋼結構是以鋼材材料為受力構件的結構，是主要的建筑結構類型之一。一般整個結構設計成剛性框架結構，平面采用普通梁格體系，豎向荷載由梁、板、柱承擔。框架的梁與梁、梁與柱、柱與基礎均按剛性連接設計，現場連接采用高強螺栓與焊接共同作用。鋼材的特點是強度高、自重輕、剛度大，同時由于鋼材料的勻質性和韌性好，可有較大變形，能很好地承受動力荷載，具有很好的抗震能力。

鋼結構首要的優點就是重量輕，相同的建筑造型，6層鋼結構住宅重量僅相當于 4層磚混結構住宅的重量。建筑總質量小，地震力效應小，且延性好，相應抗震性能就優良。鋼結構房子的主要材料是鋼材，鋼材與混凝土相比，比較突出的一個特點就是韌性好，使其具有較好的抗沖擊脆斷能力，對動力荷載的適應性強，其良好的延性和耗沖擊能的能力使鋼結構具有優越的抗震性能。

針對上述各種結構形式的抗震性能，其結構在地震作用下的表現各不相同。總的來說，鋼筋混凝土框架—剪力墻結構和鋼結構的抗震性能較好，砌體結構和框架結構的抗震性能相對差一些。

2 建筑抗震技術的發展

建筑物的抗震性能指建筑物抵御地震破壞的綜合能力。地震造成的經濟損失和人員傷亡，主要是建筑物抗震性能差所致。為了減少地震對建筑物的影響，提高建筑物的抗震性能，我國眾多科研機構對建筑物的基礎及整體構造的各個技術環節進行了多方面的研究。其中磚房“構造柱”和“圈梁”是唐山大地震以后，我國在建筑抗震方面的一件發明專利。幾十年來，除了傳統的增設鋼筋混凝土構造柱和圈梁、抗震墻、夾板墻、鋼拉桿、鋼支撐、鋼構套，以及擴大受力構件截面等方法之外，還應用了碳纖維布、高強結構膠、高強鋼絞線、聚合物砂漿等材料和預應力等技術，使唐山地區建筑結構抗震達到了較高水平。

但是，目前唐山地區大多數建筑結構都是插入式整體結構，即將建筑物的基礎和上部結構設計為不可分割的整體插入地球，這種結構是以吸收地震能量為主，由此接受地震的沖擊就是硬抗式的。在地震時，地震破壞力直接傳遞給上部結構，通常都在基礎與上部結構的交面上，破壞的形式是剪切破壞，而整個建筑物不是倒塌就是傾斜，在這種情況下，人們為了增強建筑物的抗震能力，通常加強鋼筋水泥的強度，但是仍然不能解決問題。

近年來，隨著科學技術的發展，新技術、新材料甚至新的設計思想得到大量的應用，大大豐富了提高建筑抗震能力的手段。如在現代建筑中在基礎與地基之間設置彈性墊、在樓中設置反向平衡重物、利用高科技手段阻尼地震，都能有效地減輕地震災害。其中，隔震和消能減災就是兩種減輕建筑結構地震災害的新技術。

隔震和消能減震技術雖然能夠大幅度提高建筑結構的抗震性能，并且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，但目前建造成本較高，且該技術從設計到構造，施工復雜。正確合理地把握和實施尚存在一些新問題，因此新技術距離大規模推廣和應用還需要一定時間的預備。

3 合理的建筑設計也可提高建筑結構的安全性

1)場地選擇。場地選擇的原則是避開地震時可能發生地基失效的松軟場地，選擇堅硬場地。建房時要選擇基巖或干燥密實的土層作為地基。不宜在人工填土層、古河道、松散砂層、淤泥層及活動斷層地段建房。

2)體形均勻規整。建房時房屋平面布局首先要力求平面上的對稱，無論是在平面或立面上，結構的布置都要力求使幾何尺寸、質量、剛度、延性等均勻、對稱、規整，避免突然變化。

3)提高結構和構件的強度和延性。結構物的振動破壞來自地震動引起的結構振動，在不增加重量、不改變剛度的前提下，提高總體強度和延性是兩個有效的抗震途徑。

4)多道抗震防線。使結構具有多道支撐和抗水平力的體系，則在強地震的作用下，建設工程的一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結構，避免倒塌。

5)防止脆性與失穩破壞，增加延性。脆性與失穩破壞常常導致倒塌，故應防止。這種破壞常見于設計不良的細部構造。

合理的抗震設計必須通過高質量的施工才能起到抗御地震的作用。只有把好抗震設計和施工兩道關才能有效地提高建設工程的抗震性能。

4 結語

工程抗震是一門在實踐中不斷發展的學科，每一次地震都會為我們提供新的信息，推動建筑抗震設計向更好的方向發展，從而提高建筑的安全性。我國的建筑結構抗震的設計與研究 50多年來取得了巨大的進步，隨著我國經濟實力的提升，建筑結構設計中的安全儲備大幅提高。近年來，新技術、新型建材以及新的設計思想得到越來越多的應用，建造出大批高質量的建筑。這些在新的抗震規范指導下設計的建筑，基本能夠保證在地震下的設計目標。

因此，為了提高建筑物的抗震性能，最大限度地減輕地震災害，建筑工程技術人員應在抗震設防、抗震技術、抗震設計和施工質量四方面都提高到一個新的水平，才能確保建筑工程具備合理的抗御地震的能力。

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