抗震結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

曾慶玲

（佳木斯市水務(wù)局，黑龍江佳木斯 154000）

1 引言

就目前世界的科學(xué)技術(shù)而言，要在短期內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震發(fā)生的時(shí)間、區(qū)域及其危害程度是不可能的。于是，人們自然想到要使震區(qū)防災(zāi)減災(zāi)，只有增加建筑物抵御地震震級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提高強(qiáng)震區(qū)抗震設(shè)防的綜合能力便成為必然的選擇。而在建筑物設(shè)計(jì)方面，是強(qiáng)化計(jì)算設(shè)計(jì)的周到全面、準(zhǔn)確無(wú)誤主要呢?還是強(qiáng)化有關(guān)抗震的一些重要概念進(jìn)行設(shè)計(jì)呢?為此，一些建筑結(jié)構(gòu)專家、工程力學(xué)專家和地震科學(xué)專家認(rèn)為前者收到的預(yù)期效果難以達(dá)到;而后者搞好概念設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)其目的往往容易一些，于是地震結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

2 何為概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是相對(duì)計(jì)算設(shè)計(jì)而言的。抗震概念設(shè)計(jì)是根據(jù)有關(guān)抗震的一些主要概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)方案的選擇、構(gòu)件造型、構(gòu)件斷面及配筋設(shè)計(jì)等。

長(zhǎng)期以來(lái)，在歷經(jīng)國(guó)內(nèi)外發(fā)生地震造成的各種相同相異災(zāi)害基礎(chǔ)上，對(duì)比建筑物的原型與破壞程度，提出這樣一種看法，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)而言，“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要。這是由于地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)體系、地基土影響等的復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與實(shí)際情況的差異，使得“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難有效地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)，相反，如果依靠正確的概念來(lái)確定效果可能更好一些。針對(duì)以上，我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GBJII-89第二章特別強(qiáng)調(diào)了抗震概念設(shè)計(jì)的重要性，并提出幾個(gè)重要的抗震概念及相應(yīng)的措施和規(guī)定。

3 抗震設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重要概念

3.1 地震作用的基本概念

地震對(duì)建筑物的作用，表現(xiàn)為使建筑物產(chǎn)生動(dòng)力反應(yīng)，它是由地面運(yùn)動(dòng)引起的。由于地面運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，因而地震作用也是復(fù)雜的。特別是地震作用不僅與地面運(yùn)動(dòng)有關(guān)，而且還與結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性有關(guān)。由于結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性，因而地震作用就更加復(fù)雜了。

地震作用不同于一般動(dòng)荷載。一般動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)，雖然也與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有密切關(guān)系，但荷載本身，即其大小和隨時(shí)間變化的規(guī)律，是與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性無(wú)關(guān)的。而地震作用則不然，它本身也與結(jié)構(gòu)的特性有密切的關(guān)系。事實(shí)上，地震作用是一種慣性荷載，首先與結(jié)構(gòu)重量有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)愈大，地震作用愈大。但也并非是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，有時(shí)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)重量，反而會(huì)減輕地震效應(yīng)。

3.2 地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞的宏觀概念

眾多次地震災(zāi)害的情況來(lái)看，各類結(jié)構(gòu)遭受的破壞千差萬(wàn)別，原因復(fù)雜，因素很多。概括地說(shuō)，主要原因是由強(qiáng)度不足、延性不夠、聯(lián)結(jié)不牢、整體性不強(qiáng)、地基失效所引起的。

對(duì)廣大的設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)，“強(qiáng)度”的概念是很強(qiáng)的，是很重視的。但變形的概念，延性的概念卻還沒有受到普遍的重視。事實(shí)上，保證主要結(jié)構(gòu)的延性，是防止整個(gè)建筑物在意外大震，或罕遇大震不倒塌的關(guān)鍵。因?yàn)檠有院?，可以抑制地震作用。如果?lián)結(jié)牢固，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，還可以使地震荷載重新分配，不致被各個(gè)擊坡，不致因局部破壞而導(dǎo)致整體倒塌。

地基失效使建筑物造成破壞的問題，早已被日益重視。所謂地基失效，主要有兩各種情況：①飽和砂土受到強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，砂處于離散狀態(tài)，如同液體，喪失承載能力;②軟弱地基，嚴(yán)重不均勻地基地地震時(shí)產(chǎn)生過大變形，嚴(yán)重沉陷，特別是不均勻沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情況。毫無(wú)疑問，處于這一種情況下的建筑物必然發(fā)生深陷、傾斜直至倒塌。顯然，這種震害是不可能靠加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的辦法來(lái)解決的，而應(yīng)該選擇對(duì)建筑物有利的地段為建筑場(chǎng)地。如確保避開可液化的或軟弱地基時(shí)，則應(yīng)著重在地基與基礎(chǔ)方面采取抗震措施，同時(shí)也要適當(dāng)增加上部結(jié)構(gòu)的整體性。

應(yīng)該指出，由于地震的復(fù)雜性及不確定性，單靠提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)抗御意外地震是不經(jīng)濟(jì)、也是不現(xiàn)實(shí)的，甚至是不可能的。

3.3 兩種屈服機(jī)制

框架結(jié)構(gòu)有兩種基屈服機(jī)制，一種是樓層制（S機(jī)制）另一種是總體機(jī)制（O機(jī)制）?；溆鄼C(jī)制均可由這兩種機(jī)制組織而成。

樓層機(jī)制的特別是強(qiáng)梁弱柱，即塑性鉸只發(fā)生在柱端，如圖1。

總體機(jī)制的特別是強(qiáng)柱弱梁，即塑性鉸只發(fā)生在梁端及底層柱根，如圖2。

圖1 樓層機(jī)制（S機(jī)制） 圖2 總體機(jī)制（O機(jī)制）

試驗(yàn)研究及理論分析表明，總體機(jī)制可以耗散較多能量，可避免或延緩倒塌。

選擇主要耗能構(gòu)件應(yīng)注意以下條件：它們屈服后的變形，應(yīng)受到其他處于彈性階段的構(gòu)件所約束;它不是主要隨豎向荷載的構(gòu)件（底層除外）;有較好的延性和飽滿穩(wěn)定性的滯回環(huán);它們應(yīng)在總剛度中占有相當(dāng)明顯的一部分，但又有相對(duì)柔性。因此，主要耗能構(gòu)件應(yīng)以水平構(gòu)件為宜。

對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，既要重視重視適宜的耗能構(gòu)件，又要注意保持一定的約束屈服階段，圖3。這樣，可使延性構(gòu)件充分發(fā)揮耗能作用，而脆性構(gòu)件則仍處于彈性階段，延性與脆性構(gòu)件的共同工作，可實(shí)現(xiàn)一定的總體延性。這對(duì)于7、8度地震區(qū)是一種較為適宜的方案。

圖3 屈服歷程圖

3.4 抗震設(shè)計(jì)的基本原則

可以概括為：選擇堅(jiān)實(shí)地基;基礎(chǔ)適當(dāng)加強(qiáng);平面立面力求規(guī)則;質(zhì)量、剛度均勻分布，質(zhì)心剛心重合;結(jié)構(gòu)布局合理，設(shè)置多道抗震防線，抗側(cè)力構(gòu)件基本正交;強(qiáng)度、剛度與延性的比例適當(dāng);合理選擇屈服機(jī)制和耗能構(gòu)件，慎重考慮構(gòu)件節(jié)點(diǎn)與支座的連接強(qiáng)度;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要避免過早的剪切、錨固與受壓破壞;合理控制非彈性區(qū)域的部位;建筑重量要輕，樓層要矮;樓板的平面剛度大，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)。

[1]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.