泛議抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性

矯立明，彭 秋

(1.牡丹江市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，黑龍江牡丹江157000;2.黑龍江農(nóng)墾水利工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，哈爾濱150046)

1 中國(guó)屬地震頻發(fā)國(guó)家

我國(guó)是地震頻發(fā)的國(guó)家，最近3 a就發(fā)生了兩次大級(jí)別地震，一次是2008年5月12日14時(shí)28分發(fā)生的四川汶川、北川等區(qū)域的8級(jí)強(qiáng)震，震中位置為四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)，最大烈度11度;一次是2010年4月14日晨青海省玉樹縣發(fā)生的7.1級(jí)地震，震中就在玉樹縣城附近。這兩次地震造成的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失都是世界少有的。

我國(guó)歷史上不少地域，包括廣大農(nóng)村均發(fā)生過不同頻率的地震［1］，見表1。

表1 中國(guó)各行政單元發(fā)生不同次數(shù)地震的單元個(gè)數(shù)(公元前2300至公元2000年，Ms≥5)

根據(jù)上述中國(guó)地震災(zāi)害致災(zāi)因素分析，我國(guó)農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)是受地震災(zāi)害影響最嚴(yán)重的地區(qū)，農(nóng)村地震災(zāi)害危險(xiǎn)遠(yuǎn)大于城市市區(qū)，其中西藏、

新疆、云南、青海、甘肅、四川等西部省區(qū)地震發(fā)生最為頻繁這些地省的大部分縣域都發(fā)生過破壞性地震，我國(guó)歷史上7級(jí)以上強(qiáng)震也主要發(fā)生在這幾個(gè)省區(qū)。

2 房屋建筑是地震災(zāi)害的主要承災(zāi)體

根據(jù)自然災(zāi)害系統(tǒng)現(xiàn)狀，致災(zāi)因子強(qiáng)度和承災(zāi)體的脆弱性共同決定了災(zāi)情的大小。建筑物設(shè)施是地震災(zāi)害系統(tǒng)中最主要的承災(zāi)體，由于城市中人口、財(cái)物集中，建筑物密度大，城市抗震減災(zāi)一直是地震災(zāi)害研究的重要方面。有人不斷的提出，要使地震區(qū)房屋等建筑達(dá)到防御8級(jí)以上地震等等，重要水工建筑物也要特別注重地震烈度的確定與對(duì)誘發(fā)地震的評(píng)定。殊不知，抗震設(shè)計(jì)有許多想象不到的復(fù)雜性。

3 抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性［2］

3.1 地面運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性

地面運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性表現(xiàn)為多向性與隨機(jī)性。所謂多向性，指地面運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，可以分解為6個(gè)分量，即3個(gè)平動(dòng)分量和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量。但目前還沒有轉(zhuǎn)動(dòng)分量的實(shí)測(cè)資料，故在抗震計(jì)算設(shè)計(jì)中無法考慮這個(gè)因素。

至于地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，是指它的發(fā)生在時(shí)間、空間及其隨時(shí)間的變化規(guī)律等都是不能預(yù)先確定的或者確知的，而且還是一個(gè)多維非平穩(wěn)隨機(jī)函數(shù)。

3.2 地震烈度的復(fù)雜性

地震烈度的復(fù)雜性表現(xiàn)為隨機(jī)性與模糊性。它的隨機(jī)性是指地震的強(qiáng)烈程度，它對(duì)地表及建筑物的破壞程度是不能預(yù)先確知的;它的模糊性是指評(píng)價(jià)地震烈度的各種指標(biāo)是模糊量。如所知，我國(guó)抗震規(guī)范中的烈度是離散量，相差1度將導(dǎo)致地震作用相差1倍。可見正確評(píng)定地震烈度以及建立地震烈度復(fù)雜性的概念是十分重要的。

3.3 震中距影響的復(fù)雜性

如所知，一次地震只有一個(gè)震級(jí)，而烈度則隨地區(qū)而異，可以有若干個(gè)，這主要取決于震中距。一般說來，震中距越大，烈度則越低，即烈度隨震中距的增大而衰減。

GBJ11－89區(qū)分了近震與遠(yuǎn)震。大量地震記錄及震害調(diào)查表明，同一烈度的近震與遠(yuǎn)震的地面運(yùn)動(dòng)及其對(duì)建筑物的破壞可能有很大的差異。一般說來，遠(yuǎn)震的地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期條長(zhǎng)一些，對(duì)柔性建筑物的破壞作用要大一些，甚至可能要大1倍或更。

3.4 地基土影響的復(fù)雜性

地基土對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響是復(fù)雜的，包括:

1)地基失效。

2)由基巖輸入的地震波通過土層傳播，可以使輸入波的振幅及頻率特性有很大改變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基底剪力的差異可達(dá)數(shù)倍之多。

3)地基變形使得地基各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生差異，這對(duì)平面尺寸很大的結(jié)構(gòu)來說，是一個(gè)不容忽視的因素。

4)地基變形產(chǎn)生土——結(jié)構(gòu)體系的相互作用，甚至鄰近結(jié)構(gòu)的相互作用。當(dāng)場(chǎng)地土很軟時(shí)，這些作用有顯著的影響。

5)考慮短期突然加載對(duì)地基承載能力的影響，往往對(duì)地耐力的提高作出人為的估計(jì)(一般提高30% ～50%)，也給抗震設(shè)計(jì)帶來差異。

3.5 結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性

主要包括:

1)結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的空間體系，特別是還有很多非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，如非承重墻等。在建立計(jì)算簡(jiǎn)圖時(shí)往往都不能如實(shí)考慮，或者還無法考慮。

2)結(jié)構(gòu)的非線性。由于設(shè)計(jì)中所考慮的強(qiáng)烈地震是多年一遇，甚至是百年一遇的一種特殊荷載，它的強(qiáng)度很大，而持續(xù)時(shí)間又很短，只不過幾秒，幾十秒或幾分種，因而允許結(jié)構(gòu)在遭受基本烈度的地震(第二水準(zhǔn)烈度)時(shí)，發(fā)生塑性變形，而在遭受罕見地震(第三水準(zhǔn)烈度)時(shí)不倒塌。

考慮結(jié)構(gòu)塑性變形的設(shè)計(jì)要比按強(qiáng)度設(shè)計(jì)的方法復(fù)雜得多。

3)結(jié)構(gòu)各部件間的節(jié)點(diǎn)或連接質(zhì)量的好壞，往往對(duì)結(jié)構(gòu)是否破壞起決定性作用，但在計(jì)算中有些卻得不到反映，或者難以確切地反映，甚至目前還無法反映。

4)材料的影響。混凝土的彈性模量，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)可比施工剛完成時(shí)降低50%，在應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)還可能繼續(xù)降低。

鋼筋混凝土的慣性矩一般按毛截面計(jì)算，這是不符合實(shí)際情況的。其次，豎向及側(cè)向荷載的變化，都將影響中和軸的位置。柱配筋的不同，可使周期相差達(dá)40%左右。

5)阻尼變化的影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比，一般為1% ～3%，與結(jié)構(gòu)類型有關(guān)。一般說來，鋼筋混凝土煙囪類的高聳結(jié)構(gòu)的阻尼要小一些，通常為1%左右;鋼筋混凝土空框架結(jié)構(gòu)的阻尼比為2%左右;而框架建筑物的阻尼比在3%左右。但當(dāng)受震松動(dòng)后，其阻尼比可增加數(shù)倍，以以致10余倍。

6)基礎(chǔ)差異沉降的影響。按一般框架設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)，若地震剪力為0.1W(即建筑物重量的10%)，基礎(chǔ)差異沉降為1 cm時(shí)，可能造成框架在豎向及地震荷載組合后的彎矩達(dá)70%的誤差，而此誤差在設(shè)計(jì)中一般未予考慮。

從上述可以看出，由于某些因素的隨機(jī)性和可能的誤差幅度，可以導(dǎo)致計(jì)算上的差異達(dá)數(shù)倍之多，因而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)某一局部作過分的精細(xì)計(jì)算是沒有多大意義的。

綜上，在重要水利樞紐工程及震區(qū)房屋要真正做到防御設(shè)計(jì)級(jí)別的地震災(zāi)害是極其復(fù)雜和難于達(dá)到萬無一失的。

［1］王瑛，史培軍，王靜愛，中國(guó)農(nóng)村地震災(zāi)害特點(diǎn)及減災(zāi)對(duì)策［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14(1):82 －89.

［2］曹宏，李秋勝，李桂青.工程結(jié)構(gòu)抗震［M］，北京:氣象出版社，1993.