由汶川地震引發(fā)對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的思考

劉欣

（江西省贛州市建筑設(shè)計研究院，江西 贛州 341000）

1 影響建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的主要因素

1.1 建造結(jié)構(gòu)所用的材料及施工質(zhì)量

對于材料而言，我們要明確這樣一個道理:地震對結(jié)構(gòu)作用的大小幾乎與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量成正比。一般說在相同條件下，質(zhì)量大，地震作用就大，震害程度就大;質(zhì)量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑的樓板、墻體、框架、隔斷、圍護墻以及屋面構(gòu)件中，廣泛采用多孔磚、硅酸鹽砌塊、陶?；炷?、加氣混凝土板、空心塑料板材、瓦楞鐵等輕質(zhì)材料，將能顯著改善建筑的抗震性能。

施工質(zhì)量的影響是深遠(yuǎn)的，在整個施工過程中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能影響建筑結(jié)構(gòu)本身的抗震能力。施工中造成的材料性能和截面幾何特征在一定范圍內(nèi)變動，砂漿強度、混凝土澆筑質(zhì)量以及延性構(gòu)造措施在施工中的變動等施工質(zhì)量問題，對實際結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要影響。

1.2 建筑物本身的設(shè)計

建筑物如果平面布置復(fù)雜，致使質(zhì)心與剛心不重合，在地震作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，則會加劇了地震的破壞作用，汶川512地震中，一棟鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，在水平地震作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而破壞倒塌，同時撞壞相鄰建筑上部的陽臺?？拐鹪O(shè)計中，要求結(jié)構(gòu)平面布置盡可能地使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心相一致，以減小地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對于結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則的房屋應(yīng)注意偏離結(jié)構(gòu)剛心遠(yuǎn)端抗震墻或框架柱承載力的驗算。建筑立面應(yīng)避免頭重腳輕，結(jié)構(gòu)重心盡可能的降低，出屋面部分如屋頂?shù)呐畠簤?、水箱間等，由于根部與下部結(jié)構(gòu)連接薄弱，剛度突變，受鞭梢效應(yīng)影響嚴(yán)重，在地震時容易率先破壞傾倒;另外，其地震作用通過周邊的屋面結(jié)構(gòu)傳至下部結(jié)構(gòu)，如屋面結(jié)構(gòu)剛度不夠時，在突出屋面結(jié)構(gòu)的下部一定范圍內(nèi)破壞相對集中?？拐鹪O(shè)計中，要求出屋面建筑部分的高度不應(yīng)過高，以減小地震時產(chǎn)生的鞭梢效應(yīng)影響。

1.3 建筑場地

地震造成建筑物的破壞，情況是各種各樣的，其一，由于地震時的地面強烈運動，使建筑物在振動過程中，因喪失整體性或強度不足，或變形過大而破壞;其二，由于水壩倒塌、海嘯、火災(zāi)、爆炸等次生災(zāi)害所造成;其三，由于斷層錯動、山崖崩塌、河岸滑坡、地層陷落等地面嚴(yán)重變形直接造成。前兩種可以通過工程措施加以防治，而后一種情況，單靠工程措施很難達(dá)到預(yù)防目的。因此，選擇工程場址時，應(yīng)進行詳細(xì)勘察。搞清地形、地質(zhì)情況，挑選對建筑抗震有利、盡可能避開對建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險地段上建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟損失的建筑物。

2 建筑結(jié)構(gòu)抗震能力評估方法

2.1 彈塑性計量法

目前，彈塑性分析已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一個重要組成部分。國內(nèi)外大量地震震害教訓(xùn)表明，建于強震區(qū)的早期結(jié)構(gòu)，具有較高的地震易損傷性。如何評定這些已建結(jié)構(gòu)的抗震性能，并據(jù)此進行合理的抗震加固，對最大限度的降低地震震害損失以及保護人民生命財產(chǎn)安全，都具有重要意義。彈塑性分析法主要用于對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)或設(shè)計方案進行抗側(cè)力能力的計算，從而估計其抗震能力，自從基于性能的抗震設(shè)計理論提出之后，該方法的應(yīng)用范圍逐漸擴大到新建建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性抗震分析。這種方法與傳統(tǒng)的抗震靜力方法區(qū)別主要在于它考慮了結(jié)構(gòu)的彈塑性性能并將設(shè)計反應(yīng)譜引入了計算過程和計算結(jié)果的解釋?；驹硎?在結(jié)構(gòu)上施加豎向荷載并保持不變，同時施加某種分布的水平荷載，該水平荷載單調(diào)增加，構(gòu)件逐步屈服，從而得到結(jié)構(gòu)在橫向靜力作用下的彈塑性性能。止因為彈塑性計量法的這種特點，已經(jīng)在建筑結(jié)構(gòu)抗震能力評估領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。而其中彈塑性靜力分析作為結(jié)構(gòu)彈塑性變形分析方法之一，以其實用性較強的優(yōu)點正受到越來越多的關(guān)注，已經(jīng)被列入我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》。

2.2 反應(yīng)譜法

用動力方法計算質(zhì)點體系地震反應(yīng)，建立反應(yīng)譜;再用加速度反應(yīng)譜計算結(jié)構(gòu)的最大慣性力作為結(jié)構(gòu)的等效地震荷載;然后按靜力方法進行結(jié)構(gòu)計算設(shè)計的方法，因此，是一種擬靜力方法。我國抗震規(guī)范及高層規(guī)范都要求在高層建筑中用反應(yīng)譜方法計算等效地震力，一般有兩種方法:第一種是反應(yīng)譜底部剪力法:當(dāng)結(jié)構(gòu)高度小于40m，沿高度方向質(zhì)量剛度分布比較均勻，以第一振型為主的高層建筑;第二種反應(yīng)譜振型疊加法:當(dāng)把結(jié)構(gòu)簡化為平面結(jié)構(gòu)進行分析時，采用平方和的平方根法(SRSS方法);當(dāng)采用空間協(xié)同分析或空間分析方法時，考慮空間各振型的相互影響，采用完全二次方程法(cQc方法)oral。

3 提高我國建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的措施

3.1 對舊有建筑進行加固

建成于七十年代前后的建筑物，限于當(dāng)時的具體條件，基本上都沒有或者很少考慮抗震問題，很多房屋現(xiàn)在已經(jīng)開始出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降、墻體裂縫、傾斜、面層剝落等現(xiàn)象或隱患，其中部分建筑已影響使用，甚至出現(xiàn)危房。鑒于拆舊建新投資費用較大，為了確保人民生命財產(chǎn)的安全，充分利用原有舊房，對不符合抗震要求的進行加固，對部分部位及構(gòu)件進行修繕，以滿足抗震設(shè)防目標(biāo)，是十分必要的。而通常的方法是將結(jié)構(gòu)隔震、消能減震技術(shù)應(yīng)用到建筑物的抗震加固中。這種方法在某些方面具有獨特的優(yōu)點，它擺脫了常規(guī)加固中以構(gòu)件承載力為主的加固模式，尋求通過減小建筑物上地震作用的途徑，從而使結(jié)構(gòu)及構(gòu)件滿足承載力要求，從而達(dá)到加固目的。

3.2 保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震措施

合理選擇了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)確實具有所需的延性能力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個方面內(nèi)容：

3.2.1 “強柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線性位移時塑性轉(zhuǎn)動較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時塑性轉(zhuǎn)動較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩(wěn)定的塑性耗能機構(gòu)和較大的塑性耗能能力。

3.2.2 “強剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點的組合剪力值，使結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中其任何構(gòu)件都不會先發(fā)生剪切破壞。

3.2.3 抗震構(gòu)造措施：通過抗震構(gòu)造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時保證結(jié)構(gòu)的整體性。

抗震設(shè)計中我們?yōu)榱吮苊鉀]有延性的剪切破壞的發(fā)生，采取了“強剪弱彎”的措施來處理構(gòu)件受彎能力與受剪能力的關(guān)系問題。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。

延性對抗震來說是極其重要的一個性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對于梁柱等構(gòu)件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應(yīng)變，破壞時的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實質(zhì)都是這兩個根本因素的延伸。在抗震設(shè)計中為保證結(jié)構(gòu)的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對柱子限制軸壓比等。

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