地震能量波效應與混凝土抗震結構淺談

地震作為一種強破壞自然災害，一直作為人類財產安全的巨大威脅。由于其觸發因素較多且條件特別復雜，以及當前科技的局限性，目前我們還沒有一個特別有效的辦法能夠準確提前預測出地震發生。因此作好建筑結構抗震設計，是目前在地震發生時能夠減少人員財產損害的最主要措施！

但是，目前很多從事結構設計的人員，雖然做過很多抗震設計，但并不是十分了解其地震抗震原理及《建筑抗震設計規范中》條文規定的原因。因此筆者在此簡單的分析下關于地震效應與建筑抗震的關聯，希望能有助于廣大結構設計師們更好的理解此方面內容，以便能更好的做好抗震設計！

要想了解地震及其能量的傳播！就必需要了解關于“地震波”的內容[1]！地震發生時，可以將地震能量視為地震波的形式向四周傳播！而地震波按傳播速度可以大致分為四種：

1、P波（縱波）。體波的一種。其速度最快，地殼中傳播速度為5.5～7千米/秒。最先達到地面的波，它屬于壓縮波，質點的運動方向與波的傳播方向在同一坐標軸上。它可以在固體、液體和氣體中傳播。當地震來臨時，由于震源肯定是在地下，當P波（縱波）向上方的地表傳遞時，其波的質點與其傳播方向相同——即質點沿“豎軸”振動！此時地表的感應則是“上下晃動”！

以上四種波即是地震發生時對地表影響較大的四種波型。所以當地震發生時，建筑一般都是先承受到體波P波（縱波）引起的上下晃動，再承受體波S波（橫波）的左右晃動，最后承受面波R波和L波的不規則晃動[2]。

根據這個區間曲線可以知道，在第三區間當結構的自振周期T越小，即越接近場地特征周期時，地震影響系數越大！當兩周期相等時，地震影響系數達到最大，即第二區間取值！一般來說，結構的自振周期T是大于場地特征周期的。結構自振周期可以理解為，結構在自身剛度約束下，受到外力時頂部達到極限位移，結構從原點來回晃動一周回到原點所需要的時間。因此，建筑結構的剛度及高度是影響結構自振周期的主要原因。即剛度越大，高度越矮，結構的自振周期越小。就越接近場地特征周期，地震影響系數則越大，最終結構總水平地震作用力標準值則越大。反之，則結論相反！因此剪力墻較多時，結構所“硬食”的地震力越多！

場地的特征周期作為另一個地震影響系數的影響系數，在第三區間時與地震影響系數成正比，且在第二區間的值越大，水平直線的定義域空間則越大！當結構自振周期一定時，越大即等同于越靠近結構自振周期T！場地特征周期的取值根據抗規表5.1.4-2取值。從表中我們可以知道，特征周期與場地類型和地震分組相關聯。場地類別越高，說明場地的剛度就越大，在受地震力時，場地巖土晃動一周所需的時間就越短，從而場地的特征周期則越小！反之結論相反。關于設計地震分組，從表中可以看出，地震分組越高，特征周期越高！其原因是這樣的，地震分組表現了“建筑所處位置與震源的水平距離影響”。舊抗規把第一，二，三分組定義為近震，中震，遠震！所以我們必需要明確的是，在“同一設防裂度中”，遠震的地震效應要比近震要強烈得多！如圖4！同樣都是6度和7度的設防，離震中較遠的場地反而受地震力越大！

這是因為，在近震的時候，帶有能量的地震波較多！雖然能量大了，但是太多不同波型的地震波混雜在一起傳播，形成不了一個統一的震動周期和頻率。這使得只有專一自振周期的場地及其上層建筑，與混合在一起雜亂的周期地震波形成不了有效的共振。因此雖然受到地震力影響，但建筑位移不大！此時對于彈性較強的框架結構抗震性能比較好，反之剛度較強的剪力墻結構受力則比較大！對于離震中較遠的地方，由于很多細雜的地震波在向遠處傳遞時，被各種巖土介質吸收過濾掉了！傳到地表的地震波，剩下了很多周期相近，振幅較大的地震波！比起近震其周期會更接近于場地特征周期！共振效應會更明顯！建筑在受此地震力時，實際晃動的周期會更規則平均。產生的位移會更大！此時對彈性較強但剛度偏弱的框架結構就非常的不利了！但是剛度較強的剪力墻結構在此種情況下會偏于安全！

那么，既然地震分組是表示“近，中，遠震”，為何要用“第一，二，三分組”來表示呢？事實上，在我國89年的抗震規范中，是將該指數以“近，中，遠震”來命名的。直到2001年才將其以“第一，二，三分組”的形式命名。例如08年汶川地震，震中位于汶川。在《抗規》中地震汶川的地震分組則為第一組，即近震考慮。這樣的命名是由于地質條件的不同，即使是同樣震中距的受震地區，因為地震波被不同的地質過慮后，產生了不同的地震力。所以單獨考慮離震中的距離，是不能決定受震地區的地震力情況。目前《抗規》中所定義的全國地區的地震分組，其實是考慮到震中距和地質條件及常年當地地震記錄等多方面條件確定的。而且每次《抗規》修改都在地震設計分組有很大的調整，說明其確定因素的復雜性[5]。

由于地震的發生時間，震級，震區等太多隨機因素無法準確預知，我們以上所確定的抗震相關系數很多都是根據有關記錄，概率及地質勘探等相關經驗推導出來的。目前我們所常用的底部剪力法，振型反應譜法等所有地震力計算法，均是經驗性的非精確計算。為了防止與可能遇到的實際地震力不符，我們只能在計算公式中不斷的加入安全性系數。所以為了讓結構計算更接近實際情況，就要求我們的結構模型受力要明確！同時，盡可能的將結構做成超靜定形式，使應力不至于集中在某薄弱構件上，將力重新分配到其他越靜定構件中去。

不過很多時候，我們對結構預定的破壞形式過于“理想化”。比如在汶川地震中，很多梁柱節點處，都是柱子剪壞，梁板還是好好的。因為大部分框架結構的樓板都是現澆鋼筋混凝土樓板。樓板對梁的附加剛度，由于板厚，樓板形狀及施工質量等很多因素影響，無法精確的計算出梁板組合所謂的“T型梁”剛度。再例如，有的建筑在柱邊位置設有窗洞。窗下的添充墻對柱起到了一定的約束，而窗邊的柱則沒有約束。此時就形成了剛度較強的短柱！當我們仍然按照長柱來計算配筋，就很可以在地震發生時產生短柱的剪切破壞！因此，在結構設計時切務“理想化”。特別是在抗震設計中，要盡可能使各構件充分發揮其作用！

下面我們再簡單的對常見混凝土抗震構件的破壞形態和破壞原因做下簡單敘述：

1，柱：在地震發生時，柱的常見破壞形態是周圍有水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。一般柱頂破壞要比柱底嚴重，是因為頂底箍筋較柱頂密。角柱和邊柱的破壞一般要比內柱嚴重，角柱雙向受彎、受剪，加上扭轉作用，而邊柱則首先承擔水平地震力。柱的破壞主要原因是節點處彎矩、剪力、軸力都較大，受力復雜，箍筋配置不足，錨固不好等。

2，梁柱節點：由于地震導致的節點破壞形態，節點核心區產生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土剪碎剝落。節點內箍筋不足時，柱縱向鋼筋壓曲外鼓。此時最直接的影響就是梁柱失去相互之間的聯系（《抗規》3.5.5-1）。其破壞的主要原因是節點的受剪承載力不足，約束箍筋太少，梁 筋錨固長度不夠以及施工質量差等因素。

3，框架梁：震害多發生于梁端。在地震作用下梁端縱向鋼筋屈服，出現上下貫通的垂直裂縫和交叉裂縫。破壞的主要原因是梁端屈服后產生的剪力較大，超過了梁的受剪承載力，梁內箍筋配置較稀，以及反復荷載作用下混凝土抗剪強度降低等。

4，剪力墻：在強震作用下，抗震墻的震害主要表現在墻肢之間連梁的剪切破壞。主要是由于連梁跨度小，高度大形成深梁，在反復荷載作用下形成X型剪切裂縫，為剪切型脆性破壞，尤其是在房屋1/3高度處的連梁破壞更為明顯[6]。

在抗震設計時，除了對以上個體抗震構件滿足要求以外，建筑內各功能區間的抗震設計也很重要！如在整體結構中對薄弱樓層的判斷、樓梯間、懸挑陽臺的易毀區間、及出屋面的電梯機房、水箱間、女兒墻等容易產生鞭梢效應的特殊部位，這些易受到地震影響的薄弱部位都需要保證其足夠的安全性（《抗規》3.5.2-4）！無論是任何結構形式中的任何抗震構件，在受到地震力時達到其強度和變形極限時，剛度減弱會使構件內力迅速集中在其薄弱點上，從而使其破壞。

此外當混凝土結構與砌體墻同時存在時，砌體墻只能用于填充墻。因為混凝土和砌體結構是兩種材性與受力特性完全不同的結構。不可混用在一起同時做為抗震構件。因為當地震發生時，其兩種結構的自振周期不同，兩種結構無法同頻率晃動。這樣地震時兩種不同材料的構件會產生更大的相對位移和扭轉。因此，即便是砌體做為填充墻時，也一定要保證有拉結筋將二者聯系起來（《抗規》3.7.3），否則墻體與框架缺乏有效的拉結，在往復變形時墻體易發生剪切破壞和散落。如果抗震設計中混凝土結構與砌體結構必須同時應用時，則必需要設置防震縫將此兩種結構分開！且防震縫需滿足設計要求（《抗規》6.1.4），否則地震時結構相互碰撞也會造成嚴重震害。

參考文獻：

[1]劉斌.地震學原理及應用[M].安徽：中國科學技術大學出版社.2009-06-01

[2]周仕勇.現代地震學教程[M].北京：北京大學出版社.1010-12.01

[3] 袁一凡，田啟文. 工程地震學[M]. 北京：地震出版社.2012-07-01

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布.建筑搞垮設計規范GB 50011-2010[Z].北京：中國建筑工業出版社.2010-12-01

[5]陳國興.中國建筑搞垮設計規范的演變與展望[J].防災減災工程學報2003-03.23（1）

[6] 王永偉.框架—剪力墻結構抗震性能分析[D].鄭州大學.2009