结合震害论述抗震设计基本概念的重要性

　　摘要：简述抗震设计“三水准”两阶段设计的基本理念及在抗震设计中的重要地位;结合震害分析论述建筑结构不规则时的破坏情况、划分界限及应对策略;建筑设置多道抗震防线的原理和必要性;建筑结构的屈服机理及设计准则，结合实际震害论述非结构构件破坏及抗震设计。

　　关键字：三水准，刚度，地震烈度，屈服机制。

　　抗震设计中的基本概念在抗震设计中占有及其重要的地位，是每一位结构工程师都要遵循的指导思想，它是建筑抗震设防的政策、方针、及基本目的，同时给出了现阶段抗震设防的基本思想，下面结合震害分析简述抗震设计基本概念的重要性

　　我国的《建筑抗震设计规范》中提出实行以预防为主的方针，使建筑经抗震设计后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。地震中由于建筑物的倒塌造成大量人员伤亡及经济损失，为此提出了“三水准”的抗震设计思想。即“小震不坏、中震可修、大震不到”。这三个水准设防目标是通过“两阶段设计”来实现，第一阶段设计：第一步采用第一水准烈度的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力等荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件截面设计，从而满足第一水准的强度要求;第二步是采用同一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角，使其不超过规定限制;同时采取相应的抗震构造措施，保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能，从而自动满足第二水准的变形要求。第二阶段设计：采用第三水准烈度的地震动参数，计算出结构(特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节)的弹塑性层间位移角，使之满足规范要求;并结合必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。

　　通过对国内外一些地震中建筑物的破坏情况的分析，总结归纳出几个主要方面：场地地基方面;房屋体形方面;结构体形方面;刚度分布方面;结构形式方面;非结构方面等几个主要方面。

　　1985年9月墨西哥地震后，墨西哥“国家重建委员会首都地区规范与施工规程分会”对地震中房屋破坏原因进行统计分析，结果表面，拐角形建筑的破坏率达到42%。明显高于其他形状的房屋;从有利建筑抗震的角度出发，地震区的房屋建筑平面形状应为方形、矩形、圆形为好，结构工程师可以通过设置抗震缝将平面不规则的建筑分解，使其成为平面简单规则的建筑，这样可大大减小由平面不规则引起的震害。

　　一般而言，房屋越高，所受的地震力和倾覆力矩越大，破坏的可能性也越大。在抗震设计中，房屋的高宽比是一个比房屋高度更要慎重考虑的问题，建筑物的高宽比值越大，即建筑物越瘦高，地震作用下的侧移越大，地震引起的倾覆作用越严重。巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的压力和拉力会导致严重的破坏。1967年委内瑞拉的加拉加斯地震，曾发生明显由于倾覆力矩引起的破坏的案例，该市一栋11层旅馆，底部三层为框架结构，以上各层为剪力墙结构底部三层框架，由于倾覆力矩引起的巨大压力使轴压比达到很大数值，延性降低，柱头均发生剪压破坏。另一栋18框架结构的Caromay公寓，地上各层均为有砖填充墙，地下室空旷。由于上部砖墙增加了刚度，加大了的倾覆力矩在地下室柱中引起很大的轴力，造成地下室很多柱在中段被压碎，钢筋弯曲呈灯笼状。1985年墨西哥地震，墨西哥市一栋钢筋混凝土结构，因地震时产生的倾覆力矩使建筑物倾倒，埋深2.5米的箱形基础翻转45°，并将下面的摩擦桩拔出。由此可见控制建筑的高宽比是很重要的。

　　结构平面布置时，应尽量均匀，对称，特别注意具有很大抗侧刚度的钢筋混凝土墙和钢筋混凝土芯筒的位置，力求居中和对称，使结构的刚度中心和质量中心尽可能的靠近重合，以减小由偏心造成的扭转。此外，抗震墙宜沿建筑物周边布置，以使结构具有较强的抗扭刚度和较强的抗倾覆能力。天津754厂11号车间，为高25.3米的5层钢筋混凝土框架体系，全长109米，房屋两端的楼梯间采用490mm厚的砖承重墙，刚度很大;建筑物长度的中央设置双柱伸缩缝，将建筑物分成独立的两个区段，就一个独立的区段而言，因为伸缩缝处是开口的，无填充砖隔墙，结构偏心很大。1976年唐山地震时，由于强烈的扭转震动导致2层有11根中柱严重破坏，柱身出现很宽的X形裂缝;1985年墨西哥地震中，一栋建筑，两面临街，全部为大玻璃窗，背街的两面框架内用砖墙填实，刚度增大很多，造成结构偏心，地震时发生扭转破坏;1972年尼加拉瓜的马那瓜地震，位于市中心的两栋相邻高层建筑的震害对比，有力的说明结构偏心会带来多么大的危害，15层的中央银行，有一层地下室，采用框架结构体系，两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间均集中布置在平面右端，同时，右端山墙还砌有填充墙，造成很大的偏心，地震时强烈的扭转震动造成较严重的破坏，一些框架节点损坏，个别柱子屈服，围护墙等非结构部件破坏严重，修复费用高达房屋原造价的80%。另一栋是18层的美洲银行，有2层地下室，采用对称布置的钢筋混凝土芯筒。地震后，仅3~17层连梁上有细微裂缝，几乎没有其他非结构部件的损坏。

　　通过对历次地震的震害分析表明，在同一次地震中，体型复杂的房屋比体型规则的房屋容易破坏甚至倒塌，因此建筑方案的规则性对建筑结构的抗震安全性来说十分重要，这里的“规则”包括对建筑平面、立面外形尺寸，抗测力构件布置、质量分布，直至承载力分布等诸多因素的综合要求。

　　《建筑抗震设计规范》对建筑的规则性提出了明确的要求，“建筑设计应符合抗震概念的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施;特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施;不应采用严重不规则的建筑方案”。作为抗震设计的强制性条文，要求业主、建筑师、结构工程师必须严格执行，优先采用符合抗震概念设计原理的、规则的设计方案;对于一般不规则的建筑方案应按规范的有关规定采取加强措施;对于特别不规则的建筑方案要求进行专门研究和论证采取高于规范、规程规定的加强措施，对于特别不规则的高层建筑应严格按建设部令111号文进行抗震设防专项审查;对于严重不规则的建筑方案应要求建筑师予以修改、调整。

　　在实际工程中，对于各种不规则的判断与把握，可参照建质[2006]220号文件《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的相关规定执行，该规定量化了一般不规则，特别不规则的界定标准，结构工程师应按其规定执行，控制建筑物的规则性，并采取有效的加强措施，从而减小地震时由此带来的震害。

　　一次地震产生的地面运动，能造成建筑物破坏的强震持续时间，少则几秒，多则几十秒，有的甚至更长(比如汶川地震的强震持续时间达到80s以上)。如此长时间的地震，一个接一个的强脉冲对建筑物产生往复式的冲击，造成积累式的破坏。如果建筑物采用的仅有一道防线的结构体系，一旦该防线破坏后，在后续地面运动的作用下，就会导致建筑物的倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震卓越周期相近时，建筑物会由此而发生共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用多重抗侧力体系，第一道防线的抗测力构件破坏，后备的第二道乃至第三道防线的抗测力构件立即接替，抵挡住后续的地震冲击，进而保证建筑物的最低限度安全，避免倒塌。因此，设置合理的多道防线，是提高建筑抗震能力、减轻地震破坏的必要手段。

　　自1906年洛杉矶地震以来，通过国内外的建筑地震震害分析表明，对于一般的高层建筑，刚比柔好，采用刚性结构方案的高层建筑，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时结构变形小，隔墙、围护墙等非结构构件受到到保护，破坏也较轻。而采取柔性结构方案的高层建筑，由于地震时产生较大的层间位移，不但主体破坏严重，非结构构件也大量破坏，经济损失惨重，甚至危机人身安全。所以，层数较多的高层建筑，不易采用刚度较小的框架体系，而应采用刚度较大的框架—抗震墙体系、框架—支撑体系或筒中筒体系等抗测力体系。基于上述原因，规范给出各类结构多遇地震下弹性层间位移角限值以及各类结构罕遇地震下弹塑性层间位移角限值，以确保建筑物有足够的刚度，达到抗震设计三水准的要求。

　　一般而言，结构的屈服机制可以分为两个基本类型，即楼层屈服机制和总体屈服机制。所谓的楼层屈服机制，是指结构在侧向荷载作用下，竖向杆件先于水平杆件屈服，导致某一楼层或某几个楼层发生侧向整体屈服。所谓总体屈服机制，是指结构在侧向荷载作用下，全部水平杆件先于竖向杆件屈服，然后才是竖向杆件的屈服。从建筑抗震设防角度，我们要有意识的配置结构构件的刚度与强度，确保结构实现总体屈服机制。为实现这一目的，结构中杆件发生强度屈服的顺序应该是符合下列条件：杆先于节，梁先于柱，弯先于剪，拉先于压。就是说，一栋建筑遭遇地震时，其抗侧力体系中的杆件的损坏过程应该是：梁、柱、墙、斜撑杆件的屈服先于节点，梁的屈服先于柱，而且梁和柱又是弯曲屈服在前，剪切屈服在后;杆件截面产生塑性铰的过程，是受压屈服在前，受压破坏在后。这样，构件发生变形时，均具有较好的延性，而不是混凝土被压碎的脆性破坏。即各环节的变形中，塑性变形成分远大于弹性变形成分。那么，建筑物就具有较高的耐震性能，遭遇等于或高于设防烈度不超过一度的地震时，建筑不会发生严重破坏;遭遇高于设防烈度一度的地震时，建筑不至于倒塌。为使抗侧力构件的破坏状态和过程能够符合上述准则，进行构件设计时，需要遵循以下设计准则：强节点弱杆件，强柱弱梁，强剪弱弯，强压弱拉。

　　非结构构件。一般不属于主体结构的一部分，非承重结构构件在抗震设计时往往容易被忽略，但从震害调查来看，非结构构件处理不好往往在地震时倒塌伤人，砸坏设备财产，破坏主体结构，堵塞逃生通道。对非结构构件的抗震对策，可根据不同的情况区别对待：做好细部构造，考虑非结构构件的质量、刚度、强度和变形;加强连接防止倒塌;加强设备支架等与主体的连接与锚固，尽量避免发生次生灾害等等。2008年在我国汶川地震中，出现很多楼梯间填充墙倒塌堵塞楼梯间造成楼梯间无法使用。人员无法逃生。楼梯间作为紧急逃生的竖向通道是至关重要的，在抗震设计时对其围护构件应采取加强措施。

　　总之，抗震设计基本概念是非常重要的，其所涵盖的内容也很广，是抗震设计的指导思想，他是结构工程师必须遵循的基本原则。

　　参考文献

　　[1] 建筑抗震设计规范 北京：中国建筑工业出版社

　　[2] 王亚勇，戴国莹。建筑抗震设计规范疑问解答。北京：中国建筑工业出版社，2006

　　[3] 李爱群，高振世。工程结构抗震与防灾。南京：东南大学出版社，2003

　　[4] 黄世敏，杨沈等 建筑震害与设计对策。 北京：中国计划出版社 2009

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