結合震害論述抗震設計基本概念的重要性

摘要：大量的地震災害調查研究表明，一個良好的建筑抗震結構，必須在總體設計方案的初始階段，就將抗震性能設計融于其中，逐步形成抗震概念設計思想。概念設計是一項系統工程，貫穿于抗震設計的全過程，其內容紛繁、復雜、綜合性極強，需要設計人員認真研究、細心體會，才能使構造的抗震性能收到較好的效果。

關鍵詞：震害;抗震概念設計;抗震措施

一、建筑抗震設計思想

20世紀70年代以后，隨著技術的進步及對抗震概念的深化認識，建筑結構設計提出了“抗震概念設計”，并越來越意識到它比計算設計，構造設計更為重要。設計者們曾一味地追求計算的“精確”，然而由于地震本身的隨機很強，在某一地區，某一基準期內，可能出現最大地震動是隨機變量，事先無法預知，地震動的影響次數少，作用時間短，各次地震的強度差異很大。對于結構工程師而言：結構的抗震設計與結構抗御其他荷載作用的設計不同，在進行抗震設計時，必須要清楚地震作用有別于其他荷載的特殊性，進而準確理解與把握符合這一特殊情況的結構設計基本原則，即結構抗震設計思想。

建筑抗震概念設計在地震區的建筑抗震設計中是非常重要的，應貫穿于抗震設計的各個環節：當遭受低于本地區抗震遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不修理可繼續使用，當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時，可能破壞，經一般修理或不需要修理仍可繼續使用;當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，不至倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。

“小震不壞、中震可修、大震不倒” 三個水準設防目標是多層和高層鋼筋混凝土房屋，多層砌體房屋和底部框架、內框架房屋，多層和高層鋼結構房屋，單層工業廠房，單層空曠房屋，土木結構房屋結構抗震設計應遵循的要點。建筑抗震設計規范的三個水準設防目標是通過“兩階段設計”來實現的：其方法和步驟是第一階段設計在多遇地震烈度的地震作用下，通過驗算構件抗震承載力及彈性變形以保證小震不壞，中震可修的要求;第二階段設計在罕遇地震烈度的作用下，通過驗算結構薄弱部位彈塑性變形并采取相應的構造措施保證大震不倒。地震造成大量房屋倒塌、損壞，精確的計算保證不了建筑物不遭受地震的破壞和震害。作為一名結構工程師應認真學習《建筑抗震設計規范》，深刻理解所規范的抗震概念設計原則和思想實質，針對歷次地震害的情況，總結經驗教訓。

二、地震震害經驗與啟示

邢臺、海城、唐山、汶川等歷次地震震害，無數房屋倒塌，人員傷亡慘重，震區及周邊地區出現大量的斷裂帶、噴水冒沙，井噴、滑坡、泥石流、崩塌、地基沉陷、巖溶洞陷落等，其破壞的共性和規律性體現在以下幾方面

1、場地地基方面

（1）斷層錯動、滑坡、地陷等地面變形對建筑物破壞嚴重。

（2）沙土液化引起地基不均勻深陷，導致上部結構破壞或整體傾斜。

（3）在具有深厚軟弱沖積土層上，高層建筑的破壞率顯著增高。

（4）當建筑的基本周期與場地卓越周期相近時，破壞程度將因共振效應而加重。

2、房屋體型方面

（1）平面復雜的房屋，如L形，，Y形等，破壞率顯著增高。

（2）大底盤的高層建筑，裙房頂面與主樓相接處樓板面積突然減的樓層，破壞程度加重。

（3）房屋高寬比值較大且上面各層剛度很大的高層建筑，底層框架柱因地震傾覆力矩引起的巨大壓力而發生而發生剪切破壞。

（4）相鄰結構或毗連建筑，因相互間縫隙寬度不夠而發生碰撞破壞。

3、結構體系方面

（1）相對于框架體系而言，采用框架-墻體系的房屋，破壞程度較輕，填充墻的建筑裝遭破壞程度差。

（2）采用“框架+填充墻”體系的房屋，在鋼筋混凝土框架平面內嵌砌磚填充墻時，柱上端易發生剪切破壞;外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束發生短柱剪切破壞。

（3）采用鋼筋混凝土板柱體系的房屋，因樓板沖切破壞，或樓層側移過大，柱頂，柱腳破壞、各層樓板墜落，重疊在地面。

（4）采用“底部純框架+上部砌體結構”體系的房屋，相對柔弱的底層，破壞程度十分嚴重;采用“框架結構+填充墻”體系的房屋，當底層為開敞式的純框架，底層同樣遭到嚴重破壞。

（5）采用單跨框架結構體系的房屋，因結構整體冗余度較少強震作用下易發生整體倒塌。

4、剛度分布方面

（1）采用L形、三角形等不對稱平面建筑，地震因發生扭轉振動而使震害加重。

（2）矩形平面建筑，電梯間豎筒抗側力構件的布置存在偏心時，同樣因發生扭轉振動而使震害加重。

5、構件形式方面

（1）鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻（連梁）常發生斜向裂縫成交叉裂縫。

（2）在框架結構中，絕大多數情況下，柱的破壞程度重于梁和板。

（3）鋼筋混凝土框架，如在同一樓層中出現長、短柱并用的情況，短柱破壞嚴重。

（4）配置螺旋箍的鋼筋混凝土柱，當層間位移角達到很大數值時核心混凝土仍保持完好，柱仍具有較大的豎向承載能力，配置方形箍的鋼筋混凝土柱，箍筋崩開，核心混凝土破碎脫落。

6、非結構方面

（1）剛度較大的磚砌體填充墻平面布置不合理，易導致建筑平

面剛度分布不均發生扭轉破壞;豎向布置不合理易導致豎向剛度突變，產生薄弱樓層破壞;局部布置不合理，容易使框架柱形成短柱，產生剪切破壞。

（2）附著于樓屋面的機電設備，女兒墻等非結構，地震時易倒塌或脫落傷人，設計時，應采取與主體結構可靠的連接與錨固措施。

三、抗震概念設計的幾方面內容

概念設計是指一些在計算中或規范中難以作出具體規定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，作出判斷，以便采取相應的措施。例如：結構破壞機理的概念，力學概念以及震害試驗現象等總結提供的各種宏觀和具體的經驗等，這些概念及經驗要貫穿在方案確定及結構布置過程中，也體現在計算簡圖及計算結構的處理中，建筑結構的抗震設計是以現有科學水平和經濟條件為前提的。目前地震及結構所受的地震作用還有許多規律未被認識，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“概念設計”。概念設計主要有如下幾點：

1、工程場址的合理選擇

選擇建筑場地時，應根據工程需要，掌握地震活動情況、工程地質的地震地質的有關資料，對抗震有利、不利的危險地段作出綜合評價。對不利地段應提出避開要求;當無法避開時應采取有效措施;對危險地段，嚴禁建造甲、乙類建筑，不應建造丙類的建筑“

2、建筑結構布置原則

（1）建筑的體型力求簡單，規則，對稱，質量和剛度變化均勻。

（2）選擇合理的結構體系。其：A、具有明確的計算簡圖和合理的傳遞途徑;B、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重力荷載的承載能力;C、應具備必要的強度良好的變形能力和耗能能力;D、具備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，產生多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備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備可靠的連接。

（5）抗震結構的支撐系統應能保證地震結構時的穩定。

（6）非結構構件（圍護墻、隔墻、填充墻）要合理布置。

四、結構抗震的幾點措施：

1、砌體結構。

磚砌體為脆性材料，抗拉、抗剪強度較低，抗壓強度較高，從結構布置上應當使砌體構件盡量受壓而不受彎曲或拉力。多層砌體房屋的結構，其自身的特殊性，加強構造措施更為重要。

（1）砌體結構的抗震性能需要嚴格的構造措施和施工質量給予保證，合理設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁、加強構造柱和承重墻的安全儲備，對于局部部位加強墻體連接構造，是多層磚房有效的抗震措施之一。

（2）板的整體性是必須要予以重視的，板與墻體拉結可提高墻體的整體性，減少倒塌的危險程度，只有保證預制樓板的有效拉結和擱置長度、或增加現澆層、采用現澆樓蓋等措施，才能提高房屋的整體抗震性能。

（3）注意：縱墻是砌體結構薄弱環節，預制板搭在外縱墻上，以混凝土梁代替橫墻，梁端搭在縱墻上，這種支撐方式很容易在地震中隨著縱墻的破壞倒塌而導致整個結構倒塌，縱墻搭梁的這種結構設置方式要盡量避免，無法避免時應根據規范要求采取的縱墻加強措施。

2、框架結構：

框架結構體系是指沿房屋的縱向和橫向，由梁、柱構件通過抗彎節點連接構成，既能承受豎向力，也承受水平力的結構體系。這種體系適用于多層建筑及高度不大的高層建筑?？蚣芙Y構的震害的統計現象一般是梁輕柱重，柱頂比柱底嚴重，尤其是柱角和邊柱更易發生破壞，普通柱一般是柱端發生彎曲破壞，水平或斜向斷裂，重者混凝土壓酥、鋼筋外露、壓屈和箍筋崩脫。剪跨比較小的短柱易發生剪切型的脆性破壞。當節點核心區箍筋約束不足或無箍筋約束時，節點和柱端破壞合并加重。強度較高的填充墻的不合理砌筑，往往會導致普通柱因側向變形受到約束而形成短柱。

框架結構可通過合理的設計和構造措施，加強延性設計，使結構具有良好的抗震性能：

（1）強柱弱梁措施：主要是通過人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使塑性鉸出現在梁端而不是柱端，讓結構在地震引起的動力反應中形成粱鉸機構或梁柱鉸機構，通過框架梁的塑性變形來消耗地震能量。

（2）強剪弱彎措施：用剪力增大系數增大梁端、剪力墻洞口連接端、柱端以及梁柱節點中的組合剪力值，并用增大后的剪力設計值進行受剪截面控制條件驗算受剪承載力設計，以減少梁結構出現脆性的剪力破壞。另為保證柱具備足夠的延性，當剪跨比大于2的短柱應沿全高加密箍筋，并優先考慮采用復合螺旋箍或井字復合箍。當剪跨比小于1.5的短柱應進行專門的加強措施，以此來提高柱子的承載能力，加大變形能力。

（3）強節點、強錨固：節點區域受力復雜容易發生破壞，節點的可靠與否是關系到梁柱能否可靠工作的前提，鋼筋的錨固的好壞及節點施工的措施保證是構件能否發揮承載力的關鍵。

（4）非結構構件：框架結構的維護墻和填充墻，應考慮其設置對結構抗震的不利影響，適應主體結構不同方向的層間位移，避免造成主體結構破壞。與柱脫開、采用柔性連接，采取措施保證墻體穩定、設拉結筋、水平系梁、圈梁、構造柱等。

3、剪力墻結構（包括框架-剪力墻結構和框架-筒體結構）

剪力墻結構體系是利用建筑物鋼筋混凝土墻承受豎向和水平，它在自身平面內剛度大、強度高、整體性好，在水平荷載作用下側向變形小，抗震性能較強。在國內的歷次大地震中，剪力墻結構體系表現出良好的抗震性能，震害較輕。根據已獲得的震害調查結果推斷，剪力墻結構在非結構構件的震害方面輕于框架結構，是一種較好的抗震結構形式。合理設計剪力墻使之具有良好的延性和耗能能力：強墻肢弱連梁，強剪弱彎、限制墻肢軸壓比。限制剪力設計值。避免墻肢出現脆性破壞。

4、工程建設的監督和管理

對工程建設的監督和管理仍需加強，避免在設計和施工環節出現不符合抗震規范的建筑工程。在設計方面，應加強結構抗震體系和概念設計的教育，并在抗震構造措施方面嚴格執行設計規范的規定，如構造柱和圈梁設置要求，預制板的拉結要求，最小配筋率和最小配箍率要求，箍筋彎鉤和箍筋間距要求等。在施工方面，應嚴格保證工程材料質量、混凝土級配、澆筑措施，鋼筋構造措施的實現等，保證工程施工質量。

五、結束語

為了保證結構具備有足夠的抗震可靠性面對建筑工程結構做的概念設計，要求建筑師，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，充分深刻理解掌握抗震概念設計實質，結合我國的整體抗震防災水平，發揮結構的功能與經濟的協調作用，利用定量的計算進行抗震分析，用概念判斷設計的合理性。

參考文獻：

[1]建筑抗震設計規范GB50011-2001. 北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]建筑震害與設計對策"" 北京：中國計劃出版社，2009。