地震能量波效應(yīng)與混凝土抗震結(jié)構(gòu)淺談

地震作為一種強破壞自然災(zāi)害，一直作為人類財產(chǎn)安全的巨大威脅。由于其觸發(fā)因素較多且條件特別復(fù)雜，以及當(dāng)前科技的局限性，目前我們還沒有一個特別有效的辦法能夠準(zhǔn)確提前預(yù)測出地震發(fā)生。因此作好建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，是目前在地震發(fā)生時能夠減少人員財產(chǎn)損害的最主要措施！

但是，目前很多從事結(jié)構(gòu)設(shè)計的人員，雖然做過很多抗震設(shè)計，但并不是十分了解其地震抗震原理及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范中》條文規(guī)定的原因。因此筆者在此簡單的分析下關(guān)于地震效應(yīng)與建筑抗震的關(guān)聯(lián)，希望能有助于廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計師們更好的理解此方面內(nèi)容，以便能更好的做好抗震設(shè)計！

要想了解地震及其能量的傳播！就必需要了解關(guān)于“地震波”的內(nèi)容[1]！地震發(fā)生時，可以將地震能量視為地震波的形式向四周傳播！而地震波按傳播速度可以大致分為四種：

1、P波（縱波）。體波的一種。其速度最快，地殼中傳播速度為5.5～7千米/秒。最先達(dá)到地面的波，它屬于壓縮波，質(zhì)點的運動方向與波的傳播方向在同一坐標(biāo)軸上。它可以在固體、液體和氣體中傳播。當(dāng)?shù)卣饋砼R時，由于震源肯定是在地下，當(dāng)P波（縱波）向上方的地表傳遞時，其波的質(zhì)點與其傳播方向相同——即質(zhì)點沿“豎軸”振動！此時地表的感應(yīng)則是“上下晃動”！

以上四種波即是地震發(fā)生時對地表影響較大的四種波型。所以當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，建筑一般都是先承受到體波P波（縱波）引起的上下晃動，再承受體波S波（橫波）的左右晃動，最后承受面波R波和L波的不規(guī)則晃動[2]。

根據(jù)這個區(qū)間曲線可以知道，在第三區(qū)間當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期T越小，即越接近場地特征周期時，地震影響系數(shù)越大！當(dāng)兩周期相等時，地震影響系數(shù)達(dá)到最大，即第二區(qū)間取值！一般來說，結(jié)構(gòu)的自振周期T是大于場地特征周期的。結(jié)構(gòu)自振周期可以理解為，結(jié)構(gòu)在自身剛度約束下，受到外力時頂部達(dá)到極限位移，結(jié)構(gòu)從原點來回晃動一周回到原點所需要的時間。因此，建筑結(jié)構(gòu)的剛度及高度是影響結(jié)構(gòu)自振周期的主要原因。即剛度越大，高度越矮，結(jié)構(gòu)的自振周期越小。就越接近場地特征周期，地震影響系數(shù)則越大，最終結(jié)構(gòu)總水平地震作用力標(biāo)準(zhǔn)值則越大。反之，則結(jié)論相反！因此剪力墻較多時，結(jié)構(gòu)所“硬食”的地震力越多！

場地的特征周期作為另一個地震影響系數(shù)的影響系數(shù)，在第三區(qū)間時與地震影響系數(shù)成正比，且在第二區(qū)間的值越大，水平直線的定義域空間則越大！當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期一定時，越大即等同于越靠近結(jié)構(gòu)自振周期T！場地特征周期的取值根據(jù)抗規(guī)表5.1.4-2取值。從表中我們可以知道，特征周期與場地類型和地震分組相關(guān)聯(lián)。場地類別越高，說明場地的剛度就越大，在受地震力時，場地巖土晃動一周所需的時間就越短，從而場地的特征周期則越小！反之結(jié)論相反。關(guān)于設(shè)計地震分組，從表中可以看出，地震分組越高，特征周期越高！其原因是這樣的，地震分組表現(xiàn)了“建筑所處位置與震源的水平距離影響”。舊抗規(guī)把第一，二，三分組定義為近震，中震，遠(yuǎn)震！所以我們必需要明確的是，在“同一設(shè)防裂度中”，遠(yuǎn)震的地震效應(yīng)要比近震要強烈得多！如圖4！同樣都是6度和7度的設(shè)防，離震中較遠(yuǎn)的場地反而受地震力越大！

這是因為，在近震的時候，帶有能量的地震波較多！雖然能量大了，但是太多不同波型的地震波混雜在一起傳播，形成不了一個統(tǒng)一的震動周期和頻率。這使得只有專一自振周期的場地及其上層建筑，與混合在一起雜亂的周期地震波形成不了有效的共振。因此雖然受到地震力影響，但建筑位移不大！此時對于彈性較強的框架結(jié)構(gòu)抗震性能比較好，反之剛度較強的剪力墻結(jié)構(gòu)受力則比較大！對于離震中較遠(yuǎn)的地方，由于很多細(xì)雜的地震波在向遠(yuǎn)處傳遞時，被各種巖土介質(zhì)吸收過濾掉了！傳到地表的地震波，剩下了很多周期相近，振幅較大的地震波！比起近震其周期會更接近于場地特征周期！共振效應(yīng)會更明顯！建筑在受此地震力時，實際晃動的周期會更規(guī)則平均。產(chǎn)生的位移會更大！此時對彈性較強但剛度偏弱的框架結(jié)構(gòu)就非常的不利了！但是剛度較強的剪力墻結(jié)構(gòu)在此種情況下會偏于安全！

那么，既然地震分組是表示“近，中，遠(yuǎn)震”，為何要用“第一，二，三分組”來表示呢？事實上，在我國89年的抗震規(guī)范中，是將該指數(shù)以“近，中，遠(yuǎn)震”來命名的。直到2001年才將其以“第一，二，三分組”的形式命名。例如08年汶川地震，震中位于汶川。在《抗規(guī)》中地震汶川的地震分組則為第一組，即近震考慮。這樣的命名是由于地質(zhì)條件的不同，即使是同樣震中距的受震地區(qū)，因為地震波被不同的地質(zhì)過慮后，產(chǎn)生了不同的地震力。所以單獨考慮離震中的距離，是不能決定受震地區(qū)的地震力情況。目前《抗規(guī)》中所定義的全國地區(qū)的地震分組，其實是考慮到震中距和地質(zhì)條件及常年當(dāng)?shù)氐卣鹩涗浀榷喾矫鏃l件確定的。而且每次《抗規(guī)》修改都在地震設(shè)計分組有很大的調(diào)整，說明其確定因素的復(fù)雜性[5]。

由于地震的發(fā)生時間，震級，震區(qū)等太多隨機因素?zé)o法準(zhǔn)確預(yù)知，我們以上所確定的抗震相關(guān)系數(shù)很多都是根據(jù)有關(guān)記錄，概率及地質(zhì)勘探等相關(guān)經(jīng)驗推導(dǎo)出來的。目前我們所常用的底部剪力法，振型反應(yīng)譜法等所有地震力計算法，均是經(jīng)驗性的非精確計算。為了防止與可能遇到的實際地震力不符，我們只能在計算公式中不斷的加入安全性系數(shù)。所以為了讓結(jié)構(gòu)計算更接近實際情況，就要求我們的結(jié)構(gòu)模型受力要明確！同時，盡可能的將結(jié)構(gòu)做成超靜定形式，使應(yīng)力不至于集中在某薄弱構(gòu)件上，將力重新分配到其他越靜定構(gòu)件中去。

不過很多時候，我們對結(jié)構(gòu)預(yù)定的破壞形式過于“理想化”。比如在汶川地震中，很多梁柱節(jié)點處，都是柱子剪壞，梁板還是好好的。因為大部分框架結(jié)構(gòu)的樓板都是現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。樓板對梁的附加剛度，由于板厚，樓板形狀及施工質(zhì)量等很多因素影響，無法精確的計算出梁板組合所謂的“T型梁”剛度。再例如，有的建筑在柱邊位置設(shè)有窗洞。窗下的添充墻對柱起到了一定的約束，而窗邊的柱則沒有約束。此時就形成了剛度較強的短柱！當(dāng)我們?nèi)匀话凑臻L柱來計算配筋，就很可以在地震發(fā)生時產(chǎn)生短柱的剪切破壞！因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時切務(wù)“理想化”。特別是在抗震設(shè)計中，要盡可能使各構(gòu)件充分發(fā)揮其作用！

下面我們再簡單的對常見混凝土抗震構(gòu)件的破壞形態(tài)和破壞原因做下簡單敘述：

1，柱：在地震發(fā)生時，柱的常見破壞形態(tài)是周圍有水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內(nèi)箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。一般柱頂破壞要比柱底嚴(yán)重，是因為頂?shù)坠拷钶^柱頂密。角柱和邊柱的破壞一般要比內(nèi)柱嚴(yán)重，角柱雙向受彎、受剪，加上扭轉(zhuǎn)作用，而邊柱則首先承擔(dān)水平地震力。柱的破壞主要原因是節(jié)點處彎矩、剪力、軸力都較大，受力復(fù)雜，箍筋配置不足，錨固不好等。

2，梁柱節(jié)點：由于地震導(dǎo)致的節(jié)點破壞形態(tài)，節(jié)點核心區(qū)產(chǎn)生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土剪碎剝落。節(jié)點內(nèi)箍筋不足時，柱縱向鋼筋壓曲外鼓。此時最直接的影響就是梁柱失去相互之間的聯(lián)系（《抗規(guī)》3.5.5-1）。其破壞的主要原因是節(jié)點的受剪承載力不足，約束箍筋太少，梁 筋錨固長度不夠以及施工質(zhì)量差等因素。

3，框架梁：震害多發(fā)生于梁端。在地震作用下梁端縱向鋼筋屈服，出現(xiàn)上下貫通的垂直裂縫和交叉裂縫。破壞的主要原因是梁端屈服后產(chǎn)生的剪力較大，超過了梁的受剪承載力，梁內(nèi)箍筋配置較稀，以及反復(fù)荷載作用下混凝土抗剪強度降低等。

4，剪力墻：在強震作用下，抗震墻的震害主要表現(xiàn)在墻肢之間連梁的剪切破壞。主要是由于連梁跨度小，高度大形成深梁，在反復(fù)荷載作用下形成X型剪切裂縫，為剪切型脆性破壞，尤其是在房屋1/3高度處的連梁破壞更為明顯[6]。

在抗震設(shè)計時，除了對以上個體抗震構(gòu)件滿足要求以外，建筑內(nèi)各功能區(qū)間的抗震設(shè)計也很重要！如在整體結(jié)構(gòu)中對薄弱樓層的判斷、樓梯間、懸挑陽臺的易毀區(qū)間、及出屋面的電梯機房、水箱間、女兒墻等容易產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)的特殊部位，這些易受到地震影響的薄弱部位都需要保證其足夠的安全性（《抗規(guī)》3.5.2-4）！無論是任何結(jié)構(gòu)形式中的任何抗震構(gòu)件，在受到地震力時達(dá)到其強度和變形極限時，剛度減弱會使構(gòu)件內(nèi)力迅速集中在其薄弱點上，從而使其破壞。

此外當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)與砌體墻同時存在時，砌體墻只能用于填充墻。因為混凝土和砌體結(jié)構(gòu)是兩種材性與受力特性完全不同的結(jié)構(gòu)。不可混用在一起同時做為抗震構(gòu)件。因為當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，其兩種結(jié)構(gòu)的自振周期不同，兩種結(jié)構(gòu)無法同頻率晃動。這樣地震時兩種不同材料的構(gòu)件會產(chǎn)生更大的相對位移和扭轉(zhuǎn)。因此，即便是砌體做為填充墻時，也一定要保證有拉結(jié)筋將二者聯(lián)系起來（《抗規(guī)》3.7.3），否則墻體與框架缺乏有效的拉結(jié)，在往復(fù)變形時墻體易發(fā)生剪切破壞和散落。如果抗震設(shè)計中混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)必須同時應(yīng)用時，則必需要設(shè)置防震縫將此兩種結(jié)構(gòu)分開！且防震縫需滿足設(shè)計要求（《抗規(guī)》6.1.4），否則地震時結(jié)構(gòu)相互碰撞也會造成嚴(yán)重震害。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉斌.地震學(xué)原理及應(yīng)用[M].安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.2009-06-01

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[3] 袁一凡，田啟文. 工程地震學(xué)[M]. 北京：地震出版社.2012-07-01

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布.建筑搞垮設(shè)計規(guī)范GB 50011-2010[Z].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010-12-01

[5]陳國興.中國建筑搞垮設(shè)計規(guī)范的演變與展望[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報2003-03.23（1）

[6] 王永偉.框架—剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].鄭州大學(xué).2009