房屋結(jié)構(gòu)抗震的探討、應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

云錫集團(tuán)高級(jí)技工學(xué)校

摘要：近些年來，地震區(qū)頻繁出現(xiàn)地震，特別是級(jí)別不小的地震次數(shù)頻頻增加，逃生人員的安全成為關(guān)注的重點(diǎn)，因此房屋結(jié)構(gòu)滿足逃生人員的需要有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過分析近些年不同房屋結(jié)構(gòu)震害的情況，闡述本文的抗震概念，提出通過小震、中震、大震、巨震四個(gè)階段結(jié)構(gòu)驗(yàn)算實(shí)現(xiàn)“小震，整體結(jié)構(gòu)不壞；中震，整體結(jié)構(gòu)可修；大震，整體結(jié)構(gòu)不倒；巨震，整體避難單元不倒”的抗震性能，闡述地震避難單元的可用范圍，且初步探討實(shí)現(xiàn)上述房屋結(jié)構(gòu)抗震性能的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：地震；巨震；房屋震害；避難單元；抗震設(shè)計(jì)；計(jì)算方法

目前為止，房屋結(jié)構(gòu)的抗震能力以三個(gè)水準(zhǔn)為目標(biāo)，即“大震不倒，中震可修，小震不壞”。建筑根據(jù)功能需求的不同，分為A、B、C、D四類建筑，抗震設(shè)置的目標(biāo)合理的提高或降低，提高房屋結(jié)構(gòu)的整體抗拒震能力來實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。而近些年來很多地區(qū)發(fā)生較大地震甚至特大的地震，一部分的地區(qū)的地震劇烈程度超過了預(yù)估的大烈程度，稱為巨震烈度。房屋塌陷、人員傷亡主要在這部分區(qū)域發(fā)生。在社會(huì)條件允許的情況下，如何解決房屋面對(duì)巨震烈度的難題。國(guó)內(nèi)專家對(duì)此進(jìn)行深入的研究。某高級(jí)工程師針對(duì)在地震逃生需要的基礎(chǔ)上，首次提出“巨震，避難單元不倒”的抗震概念，以地震逃生為出發(fā)點(diǎn)，把房屋設(shè)計(jì)為地震避難單元與非地震避難單元，在非地震避難單元具有一定的抗震性能之外，地震避難單元具有更強(qiáng)的抗震性能。才能夠同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性、地震逃生目標(biāo)、技術(shù)可行性等影響因素。但在實(shí)踐過程中實(shí)現(xiàn)“巨震，避難單元不倒”是一個(gè)非常重要且具有現(xiàn)實(shí)意義的問題。本文首先對(duì)近些年來不同房屋結(jié)構(gòu)震害進(jìn)行了分析，然后闡述避難單元的設(shè)置原則和抗震概念，最后提出實(shí)現(xiàn)“巨震，避難單元不倒”的方法。

1.關(guān)于震害分析

1.1地震結(jié)構(gòu)物的震害分析

地震結(jié)構(gòu)物房屋包括砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土的房屋。根據(jù)近些年地震受災(zāi)區(qū)的觀察，砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土的房屋，當(dāng)遇到巨震烈度時(shí)，均可出現(xiàn)局部甚至全部倒塌。隨著劇烈程度的增加，房屋的破壞嚴(yán)重程度增加。即使已經(jīng)按照設(shè)防要求進(jìn)行，房屋結(jié)構(gòu)仍不能保證在巨震中保持不倒的性能指標(biāo)。當(dāng)房屋所處位置處于斷層之上，房屋結(jié)構(gòu)的局部倒塌或整體倒塌很難避免。

1.2地震非結(jié)構(gòu)物的震害分析

在近些年地震發(fā)生中，非結(jié)構(gòu)物可能倒塌或破壞，造成人員傷亡，且大多數(shù)受難者存在一定的心理陰影。

1.3綜合分析

上述的震害實(shí)例表明，不管對(duì)于各種結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)物房屋還是非結(jié)構(gòu)物的房屋，為了減少地震對(duì)人員產(chǎn)生的傷害和財(cái)產(chǎn)損失，均有設(shè)置避難單元的必要。

2.關(guān)于巨震的設(shè)防概念和設(shè)置原則

2.1巨震的設(shè)防概念

某中學(xué)教學(xué)樓設(shè)防地震烈度時(shí)6度，實(shí)際地震烈度達(dá)9～11度，是巨震烈度，教學(xué)樓已經(jīng)全部塌陷，但是樓梯間沒有塌陷，樓梯是由鋼筋混凝土構(gòu)成，在樓梯下的逃生人員得到有效地保護(hù)。在巨震的作用下，房屋的局部出現(xiàn)不塌陷的結(jié)構(gòu)單元，可以當(dāng)作一部分的避難單元，作為逃生人員的庇護(hù)所；類似樓梯框架部分的填充墻遭到嚴(yán)重的破壞或倒塌，對(duì)樓梯間的人員可能有一定的生命威脅，因此要對(duì)地震避難單元的非結(jié)構(gòu)物提出對(duì)應(yīng)的抗震能力要求，避免填充墻倒塌等情況造成人員生理和心理傷害，從而更有效的保護(hù)逃生人員；樓梯間僅僅是地震避難單元的一部分，應(yīng)該根據(jù)逃生人員的需要，科學(xué)合理的布局地震避難房間、樓梯間、水平逃生通道等，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的、獨(dú)立的地震避難、逃生空間系統(tǒng)。

從抗震減災(zāi)的角度出發(fā)，可把房屋分為非地震避難單元與地震避難單元。地震避難單元與非地震避難單元都需要滿足抗震性能目標(biāo)：小震不壞，中震可修，大震不倒。允許非地震單元結(jié)構(gòu)物和非結(jié)構(gòu)物在巨震中局部倒塌或破壞，不允許避難單元結(jié)構(gòu)物在巨震中局部倒塌或完全倒塌，不允許避難單元發(fā)生非結(jié)構(gòu)物倒塌或火災(zāi)等破壞。在面臨地震時(shí)，逃生人員可以轉(zhuǎn)移到避難單元，從而減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

2.2巨震的抗震原則

地震避難單元是眾多單元中少數(shù)增加抗震能力的單元，實(shí)現(xiàn)減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，利大于弊，設(shè)防目標(biāo)對(duì)于經(jīng)濟(jì)，具有一定的可行性。砌體房屋、框架剪力房屋、框架房屋等各種結(jié)構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)抗震原則：巨震，避難單元不倒。避難人員應(yīng)根據(jù)可能發(fā)生的安全目標(biāo)、逃生人員數(shù)量、逃生方式、逃生距離、結(jié)構(gòu)布置、建筑功能等綜合確定，如砌體住宅中可把客廳和樓梯間設(shè)為避難單元。避難單元即是結(jié)構(gòu)專業(yè)抗震，又是各專業(yè)在滿足安全目標(biāo)的協(xié)同工作，地震避難單元，建筑學(xué)專業(yè)需要選用抗震性能好的輕鋼龍骨隔墻，防止可能發(fā)生的砸傷等傷害，設(shè)備類的專業(yè)采用相對(duì)應(yīng)的措施防止次生傷害。比如房屋結(jié)構(gòu)，在建筑學(xué)專業(yè)確定避難單元的設(shè)置范圍后，房屋結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)房屋抗震的分析需要，選擇合適的地震避難單元子結(jié)構(gòu)，選擇合適的措施確保子結(jié)構(gòu)在巨震中不會(huì)倒塌，從而實(shí)現(xiàn)建筑學(xué)專業(yè)對(duì)避難單元的要求，子結(jié)構(gòu)的空間可以大于地震逃生單元空間，α是地震避難單元的子結(jié)構(gòu)面積比。β是地震避難單元的子結(jié)構(gòu)層面積比。用α和β來衡量，0≤β≤1，0≤α≤1.當(dāng)α=0時(shí)，此建筑物內(nèi)未設(shè)置避難單元子結(jié)構(gòu)；當(dāng)二者都等于1時(shí)，避難單元的子結(jié)構(gòu)包含了整個(gè)結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)具體的需求選用更高的抗震性能目標(biāo)。

3.實(shí)現(xiàn)巨震避難單元不倒

要想在面臨巨震烈度時(shí)，地震避難單元不倒的關(guān)鍵在于增強(qiáng)避難單元子結(jié)構(gòu)抗震性能，使其結(jié)構(gòu)構(gòu)件在巨震中承受住該種烈度，且不會(huì)發(fā)生較大的變形，避免地震避難單元的子結(jié)構(gòu)倒塌。現(xiàn)在地震設(shè)防規(guī)范的抗震性能指標(biāo)：大震不倒，中震可修，小震不壞，從下表可以看出設(shè)置避難單元房屋結(jié)構(gòu)，不僅滿足抗震規(guī)范的要求，也滿足“巨震，避難單元”的要求，高于現(xiàn)行地震設(shè)防規(guī)范，抗震效果更好。

“—”表示抗震無效。

設(shè)置避難單元房屋結(jié)構(gòu)可通過對(duì)整體房屋結(jié)構(gòu)和個(gè)別地震單元子結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，從小震烈度進(jìn)行，然后依依實(shí)現(xiàn)小震、大震、中震、巨震四水準(zhǔn)的抗震要求。設(shè)防小震，可以對(duì)整體結(jié)構(gòu)采用線彈性分析的方法，見下列方式：

R1/Y1≥S1，R2/Y2≥YS2

在式中：R1為小震時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力設(shè)計(jì)值；S1是小震時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用荷載效應(yīng)的組合值；Y1為承載能力的調(diào)整系數(shù)；S2小震中地震避難單元的子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)物的地震作用荷載效應(yīng)組合值；Y2為使避難單元子結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)調(diào)整系數(shù)；R2是避難單元子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)物的承載力設(shè)計(jì)值，Y2≥1.0。

同理，設(shè)防大震對(duì)整體結(jié)構(gòu)彈塑性變形進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)于地震避難單元的子結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行驗(yàn)算，見下列方式：

△u≤[Θ]h，R3≥S3

在式中：[Θ]h代表彈塑性層間的位移角限值；h代表薄弱的層樓層高度；△u代表大震中房屋整體結(jié)構(gòu)彈塑性層間的位移；R3為大震中地震避難單元的子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的標(biāo)準(zhǔn)值；S3是小震時(shí)避難單元的子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震作用荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)值。

對(duì)于設(shè)防巨震，根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，滿足逃生人員的需求，設(shè)置設(shè)防目標(biāo)，應(yīng)對(duì)地震避難單元的子結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性的變形驗(yàn)算，同時(shí)對(duì)避難單元的子結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行驗(yàn)算，見下列方式：

△u1≤[Θ1]h1，R4≥S4

在式中：[Θ1]h1代表地震避難單元的子結(jié)構(gòu)彈塑性層間的位移角限值；h1代表地震避難單元的子結(jié)構(gòu)薄弱層樓的層高度；△u1為面臨巨震時(shí)，考慮其他子結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)避難單元的子結(jié)構(gòu)作用下彈塑性層間位移；R4代表巨震中避難單元子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)物的承載力設(shè)計(jì)值；S4是在巨震中，考慮其他子結(jié)構(gòu)對(duì)避難單元子結(jié)構(gòu)的作用下地震避難單元的子結(jié)構(gòu)構(gòu)件作用荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，在需要的時(shí)候，可對(duì)整體結(jié)構(gòu)與地震避難單元的子結(jié)構(gòu)繼續(xù)中震驗(yàn)算。

巨震設(shè)防會(huì)導(dǎo)致局部子結(jié)構(gòu)的一些破壞甚至倒塌，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移和水平荷載關(guān)系圖，可以參考圖1。在當(dāng)下的結(jié)構(gòu)技術(shù)條件下，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析。在確定建筑材料本構(gòu)、構(gòu)建破壞準(zhǔn)則和地震時(shí)程曲線等基本條件下，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)不同地震水平作用引起的動(dòng)力反應(yīng)，采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程相關(guān)分析法，進(jìn)行全面分析，其計(jì)算的結(jié)構(gòu)克作為相關(guān)工程的參考依據(jù)。從B到F階段，建筑結(jié)構(gòu)處在塑性階段，由于諸多因素具有不確定性（如地震時(shí)程曲線、建筑材料本構(gòu)的參數(shù)等），即使運(yùn)用彈塑性時(shí)程分析，仍然很難得到精確的結(jié)果。由此，在實(shí)際工程中可以通過簡(jiǎn)化計(jì)算，例如通過運(yùn)用Pushover，或是采用比較規(guī)范的簡(jiǎn)單方法進(jìn)行分析。

4.結(jié)論

本文對(duì)巨震對(duì)不同結(jié)構(gòu)造成的震害進(jìn)行分析，解釋了“巨震，避難單元不倒”的相關(guān)抗震概念，介紹避難單元的設(shè)計(jì)規(guī)則與原則，并且提出“4水準(zhǔn)、多階段”式抗震設(shè)計(jì)，可滿足上述相關(guān)抗震性能的目標(biāo)，這種設(shè)計(jì)方式可以被靈活地運(yùn)用于框架、砌體等建筑結(jié)構(gòu)類型中。當(dāng)下，對(duì)巨震烈度中建筑結(jié)構(gòu)被破壞甚至倒塌的學(xué)習(xí)與研究還有很大不足，需要從各種角度做更加確切的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚攀峰.房屋結(jié)構(gòu)抗巨震的探討、應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，S1：277-281.

[2]孫圣堯.房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)研究[J].建材與裝飾，2014，（3）：26-27.