談結構抗震設計中常用分析方法

郭 振 東

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

我國是一個地震頻率高發國家。當代，發生在我國有記錄的大震均對國家和人民造成重大損失。因此，“抗震安全”在建設工程中從政策制定到技術指導越來越受到關注。盡管現今建設水平發展迅速，但是我們對“地震”的研究還遠談不上科學(很多研究資料將之稱為“藝術”)。盡管我國現行的《中國地震烈度區劃圖》已經在科學性及準確性上做得很好，但是基于我國可統計的有準確記錄的地震歷史資料有限，造成大震或特大地震總是出現在低烈度區；同時在發生地震時，地面運動存在較大的不確定性，即使是同一建筑場地，發生地震后不同性質的地面運動對建筑物破壞也不同；而且在地震中還存在著震級大小、傳播途徑、震中距及震源機制等諸多不確定因素，造成我們對地震研究的諸多困難。

以上所述的諸多困難和不確定性都是結構抗震設計所要面對的“難題”。要解決好這道“難題”，必須對結構抗震設計的關鍵點做好控制。以下對設計中的關鍵點展開詳述。

1 抗震設計中的“概念設計”方法

抗震“概念設計”是指將地震影響不確定性和已研究出的規律性結合起來，在方案制定階段就對結構總體布置、承載力與結構剛度分布、結構延性、關鍵薄弱部位設計等重要問題進行重點設計控制。“概念設計”重視結構整體計算指標，在結構破壞特性知識基礎上，結合現行規范對方案在制定初期就進行整體控制，盡量消除方案對結構抗震設計的不利影響，從根本上保證結構體系抗震安全。

在我國現行《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗規》)規定基本的抗震設防目標是：小震不壞(即多遇地震，從抗震設計角度看，結構體系可視作彈性體系，一般采用反應譜法進行彈性分析)，中震可修(即設防地震，結構抗側力體系進入非彈性工作階段；要求結構體系在非彈性變形或結構體系及構件損壞控制在可修復的范圍)，大震不倒(即罕遇地震，要求結構體系可以存在較大非彈性變形，但應控制在規定的范圍內，避免倒塌。抗震規范中的“三水準，二階段”抗震設防目標與地震烈度之間的關系見表1)。從表1中可以看出：我國現行的《抗規》規定：對結構進行“小震彈性條件計算，對少量結構體系(《抗規》2016年版條文：5.5.2；5.5.3)進行大震彈塑性變形驗算；在小震彈性條件計算的基礎上通過抗震措施(強柱弱梁、強剪弱彎、強節點計算系數放大調整，各種抗震構造措施等)滿足中震要求。

表1 我國“三水準，二階段”抗震設防目標與地震烈度之間的關系表

抗震設防目標對使用功能有更高需求時，可進行建筑結構抗震性能化設計，可分別針對整個結構、結構的局部部位或關鍵構件、重要構件、次要構件以及建筑構件和機電設備支座的性能目標有針對性的進行設計。

2 結構體系的“規則性”問題

隨著經濟發展，建筑方案中因各種因素需求，所要求的建筑也越來越“花式”(使用功能要求多樣，造型堪稱“魔幻”)。這些“花式”帶給結構設計往往是更多的結構體系“不規則”問題。對于體系“不規則”問題，雖然《抗規》3.4.3；3.4.4作出了詳細的判別標準，但是條文包括條文說明在很多設計人員看來往往晦澀難懂。而且現代結構設計都是以結構設計軟件為工具進行整體設計，雖然先進的結構軟件使工作效率得到提升，但是軟件參數呈現“傻瓜化”發展趨勢。晦澀的規范條文結合軟件參數的“傻瓜化”讓年輕設計人員在設計參數選擇中存在錯誤，最后得到錯誤的設計結果。現在對部分重要參數做出解讀，以便設計者對“規則性”問題有更好的認識。

2.1 扭轉位移比計算問題

《抗規》3.4.3-1：具有偶然偏心的規定水平力作用下，樓層兩端抗側力構件彈性水平位移(或層間位移)的最大值與平均值的比值大于1.2。本條規范條文中關鍵信息較多，現歸納如下：

1)結構設計時大部分情況應滿足“剛性樓板”假定，樓板有較大開洞時可按實際情況確定樓板剛度。

2)考慮偶然偏心及扭轉耦聯。

3)規定的水平力：相鄰樓層的地震剪力。

4)兩端抗側力構件彈性水平位移應特別注意是結構豎向構件(柱、墻)的位移，并不是全樓最大位移(實際結構體系扭轉，最大位移可能出現在懸挑板角部等部位)。

5)“規定水平力”僅用于對結構扭轉不規則判斷使用，一般常見結構體系及構件設計計算仍然使用CQC(計入扭轉效應的振型分解反應譜法)的計算結果。

2.2 樓板局部不連續參數解讀

《抗規》3.4.3-1中對樓板局部不連續指出“較大的樓層錯層”指：一般設計中按樓面標高差超過梁高或大于600 mm來考慮。

3 結構分析方法

《抗規》3.6.3給出了關于重力二階效應在結構設計中的使用方法。需要注意的是：《抗規》中的重力二階效應更強調結構體系在地震作用下與結構重力效應疊加的效果；《混凝土結構設計規范》5.3.4更強調結構體系在初始缺陷(施工過程中的誤差)、建筑投入使用后和理想設計狀態存在差異(例如建筑投入使用后，局部結構體系構件可能出現結構活荷載不利布置等因素)以及側向荷載(風載)等諸多因素共同的作用對結構體系形成的初始偏心和結構重力效應疊加效果；兩者(《抗規》和《混規》關于重力二階效應)不應同時考慮。同時還注意到：《抗規》3.6.3和《高規》5.4.1-2中關于重力二階效應要求基本相同，只是兩個規范中尺度要求不一樣：《抗規》3.6.3中穩定系數大于0.1時考慮重力二階效應；《高規》5.4.1-2經過公式變形后和3.6.3穩定系數公式一樣，只是高規中的穩定系數在大于1/20時應考慮地震作用二階效應。

4 結構設計常見問題

建筑結構抗震設計前期準備工作中，根據建筑工程需要和地震活動情況、工程地質和地震地質的有關資料，對抗震有利、一般、不利和危險地段做出綜合評價。對不利地段，及時和建設單位溝通，提出避開要求；當無法避開時應采取有效的措施。對危險地段，應嚴禁建造甲、乙類建筑，不應建造丙類建筑(《抗規》3.3.1)。可以看到規范用了最嚴重的字眼“禁止”及“不應”，這是因為憑借現今的建筑科技，任何設計無法從根本上采取特別有效的措施可以去解決危險場地帶給建筑的不利影響。

選擇較好的場地，一些平坦的空間和均勻的土壤都會有利于抗震結構作用的發揮，一定要盡量避開液化土和一些河岸邊緣，這些都會非常不利于建筑結構的抗震安全。合適的場地可以最大程度化解地震帶來的沖擊力，從而盡可能保證整個結構體系穩定，使地震對于建筑物造成的損壞降到最低。

建筑結構布置也是結構抗震設計中需要特別注意的一個問題。地震作用時，建筑物承受的往往不是一個方向的地震作用，而是結構附加偶然偏心后的多個方向的地震作用。所以，結構抗震設計中，結構設計人員一定要考慮到結構可以同時抵抗不同方向的地震作用，整個建筑物有合理的結構布置，具有足夠的剛度和穩定性。

結構抗震設計過程中，設計人員要對基本力學知識有所掌握。結構設計軟件計算出的構件配筋結果出現超限時，除了對不滿足的構件截面通過擴大結構構件截面增加剛度調整；必要時，可嘗試增強周邊構件截面剛度，地震作用力會根據周邊構件截面剛度增大進行更多分攤，減小對計算結果超限構件的作用力分攤，使得結構整體和構件計算都能滿足。

結構抗震整體計算(剪重比、周期比、位移比等)參數要嚴格控制，對雙向地震和偶然偏心的計算使用條件要明確。

除此之外，結構工程師在設計前期，一定要和各專業人員溝通好。對使用功能要求、設備荷載參數要仔細了解；設計計算過程中認真參考設計規范(《抗震設防分類標準》《抗震設計規范》等)，設計中應養成勤于思考的習慣。對新的理論、規范的變動和技術應及時學習，設計過程中應有如履薄冰的意識，只有這樣才能很好的完成結構設計工作。