淺談抗震概念設(shè)計(jì)

摘要：建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注重概念設(shè)計(jì)。選擇對(duì)建筑抗震有利的場(chǎng)地，擇優(yōu) 選用抗震性能良好且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)注重平面、立面 的規(guī)則性，并應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位和關(guān)鍵部位采取有效的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措 施，使整體結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力、合理的剛度和良好的延性。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì) 延性

一、地震的不確定性和概念設(shè)計(jì)的重要性

地震是一種隨機(jī)性的振動(dòng)，它有著難以把握的復(fù)雜性和不確定性。到目前為止，人類(lèi)還不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，也不能完全把握和測(cè)算建筑物在遭遇地震時(shí)的特性和參數(shù)。我們對(duì)地震的預(yù)測(cè)和研究還遠(yuǎn)未達(dá)到能稱(chēng)之為科學(xué)的水平，只能稱(chēng)之為藝術(shù)。

抗震設(shè)計(jì)主要包括：概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算和抗震措施。而抗震措施也是基于概念設(shè)計(jì)思想出發(fā)的必要舉措。抗震計(jì)算是指對(duì)地震作用的定量分析，包括荷載計(jì)算、地震作用計(jì)算和結(jié)構(gòu)抗力計(jì)算等。抗震計(jì)算是建立在現(xiàn)有地震科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件基礎(chǔ)上的結(jié)合和反映實(shí)際工程的一種地震研究理論。是人們對(duì)地震作用的初始把握和預(yù)判，然后將這種預(yù)判進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算和分析。抗震計(jì)算名為定量分析，實(shí)為定性分析。所以，這是必要的，又是不足的。必要性在于邁出的第一步，我們將地震的不確定性在一定范圍內(nèi)確定下來(lái)。不足性在于抗震計(jì)算假定與實(shí)際情況的差異。這使得其計(jì)算結(jié)果不能全面真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力、變形情況，并確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

二、抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則與要點(diǎn)

目前抗震設(shè)計(jì)水平遠(yuǎn)未達(dá)到科學(xué)的嚴(yán)密程度。要使建筑物具有盡可能好的抗震性能，首先應(yīng)從大的方面入手，做好抗震概念設(shè)計(jì)。如果整體設(shè)計(jì)沒(méi)有做好，計(jì)算工作再細(xì)致，也難免在地震時(shí)建筑物不發(fā)生嚴(yán)重的破壞，乃至倒塌。近幾十年來(lái)，世界上一些大、小城市先后發(fā)生了若干次大地震，人們通過(guò)震害分析對(duì)建筑物的破壞規(guī)律有了更多的認(rèn)識(shí)，從而取得了寶貴的抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定了結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則與要點(diǎn)。

（一）避開(kāi)抗震危險(xiǎn)地段，選擇抗震有利地段

選擇工程場(chǎng)址時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)勘察，搞清地形、地質(zhì)情況，挑選對(duì)建筑抗震有利的地段，盡可能避開(kāi)對(duì)建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險(xiǎn)地段上建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟(jì)損失的建筑物。抗震有利的地段，一般是指位于開(kāi)闊平坦地帶的堅(jiān)硬場(chǎng)地土或密實(shí)均勻中硬場(chǎng)地土。抗震危險(xiǎn)地段指地震時(shí)可能發(fā)生崩塌（如溶洞、陡峭的山區(qū)）、地陷（如地下煤礦的大面積采空區(qū)）、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度為8度以上的發(fā)震斷裂帶在地震時(shí)可能發(fā)生錯(cuò)位的斷層。就地形而言，一般指突出的山嘴、孤立的山包和山梁的頂部、非巖質(zhì)的陡坡、高差較大的臺(tái)地邊緣、河岸和邊坡邊緣。

另外，應(yīng)注意將建筑物的自振周期與地震動(dòng)的卓越周期錯(cuò)開(kāi)，避免共振。如果建筑物的自振周期與地震動(dòng)的卓越周期相等或相近，建筑物的破壞程度就會(huì)因共振而加重。1977年羅馬尼亞弗蘭恰地震，地震動(dòng)卓越周期，東西向?yàn)?.0s，南北向?yàn)?.4s。布加勒斯市自振周期為0.8至1.2s的高層建筑破壞嚴(yán)重，其中有不少建筑倒塌，然而該市自振周期為2.0s的25層洲際大旅館幾乎無(wú)震害，且墻面裝修也未損壞。因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，首先估計(jì)建筑所在場(chǎng)地的地震動(dòng)卓越周期；然后，通過(guò)改變房屋類(lèi)型和結(jié)構(gòu)層數(shù)，使建筑物的自振周期與地震動(dòng)的卓越周期相分開(kāi)。

（二）選擇合理的結(jié)構(gòu)材料和抗震結(jié)構(gòu)體系 從抗震角度來(lái)考慮，一種好的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具備下列性能：①.延性系數(shù)高；②.“強(qiáng)度/重力”比值大；③.勻質(zhì)性好；④.正交各向同性；⑤.構(gòu)件的連接具有整體性、連接性和較好的延性等，并能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。

抗震結(jié)構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)把握的頭等重要的問(wèn)題。采用哪種結(jié)構(gòu)材料，什么樣的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件比較綜合確定。應(yīng)優(yōu)先采用抗震能力強(qiáng)、延性好、耗能能力強(qiáng)、便于施工的具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系。如采用設(shè)置耗能連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻、框架-筒體結(jié)構(gòu)等，避免采用抗震能力較低的板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，尤其是單跨框架結(jié)構(gòu)等。同時(shí)應(yīng)注意對(duì)承載力和剛度及延性的合理把握。采用合理的地基基礎(chǔ)方案。

抗震規(guī)范對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系主要有以下規(guī)定：①結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑；②結(jié)構(gòu)體系宜具有多道抗震防線，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；③結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有必要的抗震承載力，良好的變形能力和耗能能力；④結(jié)構(gòu)體系宜具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，產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力；⑤結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)遵循平面布置對(duì)稱(chēng)、立面布置均勻的原則，以避免質(zhì)心和剛心不重合而造成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和產(chǎn)生薄弱層。

（三）注重平立面的規(guī)則性

結(jié)構(gòu)的平立面布置應(yīng)符合概念設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)把握均勻、對(duì)稱(chēng)的基本布置原則。盡量避免采用特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)布置方案。不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)方案。對(duì)于不可避免的不規(guī)則的建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。確保結(jié)構(gòu)的安全性。

1.平面宜簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性可以保證地震力具有明確而直接的傳遞途徑，使計(jì)算分析模型更易接近實(shí)際的受力狀態(tài)，所分析的結(jié)果具有更好的可靠性，據(jù)此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的抗震性能更有安全可靠保證。地震區(qū)的建筑平面以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形次之。三角形雖也屬簡(jiǎn)單形狀，但是，由于它沿主軸方向不對(duì)稱(chēng)，在地震作用下容易發(fā)生較強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)抗震不利。此外，帶有較長(zhǎng)翼緣的L形、T形、十字形、Y形、U形和H形等平面也對(duì)抗震結(jié)構(gòu)性能不利，主要是此類(lèi)具有較長(zhǎng)翼緣平面的結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下容易發(fā)生較大的差異側(cè)移而導(dǎo)致震害加重。

2.立面變化要均勻，即建筑的質(zhì)量和剛度變化要均勻。結(jié)構(gòu)布置不均勻產(chǎn)生剛度和強(qiáng)度的突變，引起豎向抗側(cè)力構(gòu)件的應(yīng)力集中或變形集中，將降低結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力，地震時(shí)易發(fā)生損壞，甚至倒塌。由于建筑的豎向收進(jìn)，地震時(shí)收進(jìn)處上下部分振動(dòng)特性不同，易于在收進(jìn)處的樓板產(chǎn)生應(yīng)力突變，使豎向收進(jìn)的凹角處產(chǎn)生應(yīng)力集中。造成建筑重大破壞。

（四）對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行必要的加強(qiáng)措施

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注重其關(guān)鍵部位（一般是結(jié)構(gòu)的薄弱部位）構(gòu)件的把握。實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固及強(qiáng)柱根”的設(shè)計(jì)理念。應(yīng)注意對(duì)加強(qiáng)部位（如豎向構(gòu)件的加強(qiáng)部位、樓面結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位、地基基礎(chǔ)的加強(qiáng)部位等）的控制和處理。確保結(jié)構(gòu)的良好延性，避免結(jié)構(gòu)倒塌。同時(shí)，應(yīng)注重多道防線的設(shè)置。在超靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，贅余構(gòu)件為第一道防線，由于主體結(jié)構(gòu)已是靜定或超靜定結(jié)構(gòu)，這些贅余構(gòu)件的先期破壞并不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。構(gòu)件的破壞和退出工作，使整個(gè)結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過(guò)渡到另外一種穩(wěn)定體系，致使結(jié)構(gòu)的周期發(fā)生變化，以避免地震卓越周期長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用引起的共振效應(yīng)。

三、結(jié)語(yǔ)

建筑抗震概念設(shè)計(jì)是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過(guò)程，是一種基于震害經(jīng)驗(yàn)建立的抗震基本設(shè)計(jì)原則和思想。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)重在概念設(shè)計(jì)！

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