對(duì)抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體系的淺析

(太原市建工興達(dá)工程有限公司，山西 太原 030001)

引言

隨著全球進(jìn)入新一輪的地震活躍期，地震對(duì)人類的影響越來(lái)越大。我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家，抗震設(shè)防的市鎮(zhèn)涵蓋85%以上。歷次地震證明，地震烈度有很大的不確定性，抗震設(shè)計(jì)還處于摸索階段，地震理論還有待完善，當(dāng)然地震也是對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的最好檢驗(yàn)。所以，在設(shè)計(jì)中應(yīng)抓大放小，重概念輕精度，先從結(jié)構(gòu)體系著手。

1 影響結(jié)構(gòu)體系的因素

影響結(jié)構(gòu)體系的因素很多，如抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等，還應(yīng)考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件等。結(jié)構(gòu)體系問(wèn)題是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，即要解決承載力、剛度和延性問(wèn)題。

(1)對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)，除了要承擔(dān)常規(guī)荷載外，還要承擔(dān)地震動(dòng)作用，其材料強(qiáng)度和剛度不是越大越好，如抗彎強(qiáng)度過(guò)高不利于抗剪，剛度過(guò)大也會(huì)加大結(jié)構(gòu)的地震作用，均需要控制在合理的范圍內(nèi)。

(2)結(jié)構(gòu)體系由各類構(gòu)件相互連接組成，抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、合理的剛度、良好的延性、可靠的連接，使這幾個(gè)因素之間合理均衡。

(3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有良好的延性，即變形能力和耗能能力。延性可以增加結(jié)構(gòu)的抗震潛力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是結(jié)構(gòu)承載力、剛度和延性的合理把握。

2 結(jié)構(gòu)體系應(yīng)滿足的要求

2.1 強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)，明確傳力途徑

在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)了概念設(shè)計(jì)的重要性。對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的分析把握，例如明確地震作用的傳力路徑是什么，是如何從上部結(jié)構(gòu)傳至下部結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)的等，這是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，而使用計(jì)算軟件是無(wú)法替代人為的概念設(shè)計(jì)工作的。

抗震結(jié)構(gòu)體系要求受力明確、傳力合理且傳力路線不間斷，使結(jié)構(gòu)的抗震分析更符合結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的實(shí)際表現(xiàn)，且對(duì)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能有利，是結(jié)構(gòu)選型與布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系時(shí)應(yīng)該首先考慮的因素之一。一般采用的是多遇地震作用下的彈性計(jì)算方法，通過(guò)抗震措施來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)防烈度地震的要求，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的彈塑性位移來(lái)實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。這些基本的抗震設(shè)防要求，對(duì)概念清晰、傳力直接的規(guī)則結(jié)構(gòu)及不規(guī)則程度較輕的一般性不規(guī)則結(jié)構(gòu)具有較好的適應(yīng)性，也能較準(zhǔn)確地估計(jì)設(shè)防烈度地震及罕遇地震作用的影響。而對(duì)于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性差，對(duì)設(shè)防烈度地震及罕遇地震作用的影響也將難以準(zhǔn)確估計(jì)。

2.2 確保重力荷載承載力，力求強(qiáng)度、剛度和變形能力的統(tǒng)一

對(duì)地震倒塌宏觀現(xiàn)象的研究表明，房屋倒塌的最直接原因是結(jié)構(gòu)因破壞而喪失承受重力荷載的能力。因此，任何情況下都應(yīng)首先確保結(jié)構(gòu)對(duì)重力荷載的承載力。結(jié)構(gòu)的抗震能力需要強(qiáng)度、剛度和變形能力的統(tǒng)一，即抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的強(qiáng)度和良好的變形耗能能力，僅有強(qiáng)度而缺乏足夠的延性(例如不設(shè)置圈梁構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)等)時(shí)，在強(qiáng)烈地震下很容易破壞；雖有較好的延性而強(qiáng)度不足(如純框架結(jié)構(gòu)等)時(shí)，在強(qiáng)烈地震下必然產(chǎn)生很大的變形、嚴(yán)重破壞甚至倒塌。

2.3 設(shè)置多道抗震防線

震害調(diào)查表明，破壞性強(qiáng)震具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(短則幾秒，長(zhǎng)則幾十秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間)、脈沖往復(fù)次數(shù)多(對(duì)房屋造成累計(jì)破壞)等特點(diǎn)。單一結(jié)構(gòu)體系的房屋(僅1道防線)一旦破壞，接踵而來(lái)的持續(xù)地震動(dòng)將會(huì)造成房屋的倒塌。當(dāng)房屋采用多道防線(兩道或3道)時(shí)，第1道防線破壞后，后續(xù)防線能接替抵抗后續(xù)的地震沖擊，從而保證房屋最低限度的安全，避免房屋的倒塌。因此，抗震房屋設(shè)置多道防線是必須的，也是“大震不倒”的基本要求。

一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來(lái)協(xié)同工作。震害調(diào)查表明，房屋倒塌源自抗側(cè)力構(gòu)件喪失承受豎向荷載的能力(尤其是受“大震”下的P-A效應(yīng)的影響)。因此，在選擇第1道防線的構(gòu)件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低第1道防線中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的豎向軸壓力，使其即使有損壞也不會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向承載力有較大的影響。在實(shí)際工程中，優(yōu)先采用不負(fù)擔(dān)或少負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐、砌體填充墻，或者選用軸壓比較小的抗震墻。但應(yīng)注意的是，抗震墻的軸壓不是越小越好，應(yīng)使墻肢保持適當(dāng)?shù)妮S壓水平(例如0.1～0.2)，以提高墻肢的受剪承載力并增加墻肢的延性，同時(shí)避免在“大震”下出現(xiàn)墻肢受拉情況，以免造成剛度和承載力的突降。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免抗震墻只承受自重的情況，例如采用樓梯間外墻等、抗震墻筒體等作為第1道防線的抗側(cè)力構(gòu)件，而不采用軸壓比很大的框架柱作為第1道防線的抗側(cè)力構(gòu)件。舉例如下：

(1)框架-抗震墻體系由延性框架和抗震墻組成，在框架-抗震結(jié)構(gòu)中，抗震墻由于其側(cè)向剛度大，成為抗震的第1道防線，框架則是抗震的第2道防線。而在抗震墻很少的框架結(jié)構(gòu)中，由于抗震墻的數(shù)量少，因此其不能成為1道防線，該結(jié)構(gòu)體系也就不屬于多道防線的結(jié)構(gòu)體系。

(2)雙肢墻或多肢墻抗震墻體系由若干個(gè)單肢墻分系統(tǒng)組成，大震時(shí)連梁先屈服并吸收大量的地震能量，既能傳遞彎矩和剪力，又能對(duì)墻肢有一定的約束作用。

(3)框架-筒體體系由延性框架和筒體兩個(gè)系統(tǒng)組成。

(4)單層廠房的縱向體系中，柱間支撐是第1道防線，柱是第2道防線，并通過(guò)柱間支撐的屈服耗能來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全。

2.4 增加內(nèi)外部贅余度，減少負(fù)擔(dān)重力荷載的構(gòu)件

抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)外部贅余度(即超靜定的次數(shù)要多)，有意識(shí)地建立起一系列分布的屈服區(qū)，如耗能構(gòu)件、連梁、偏心支撐、框架結(jié)構(gòu)中的砌體填充墻、雙連梁之間設(shè)置的砌體填充墻等，以使結(jié)構(gòu)能吸收和消耗大量的地震能量，而這些有意設(shè)定的屈服區(qū)一旦破壞也易于修復(fù)。震害調(diào)查還表明，地震倒塌是由于結(jié)構(gòu)破壞而喪失豎向承載的能力，因此，第1道防線應(yīng)優(yōu)先選擇不負(fù)擔(dān)或盡量少負(fù)擔(dān)重力荷載的構(gòu)件(如支撐或填充墻)，或穩(wěn)定性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如軸壓比較小的抗震墻筒體等)；不宜采用軸壓比很大的框架柱或承受較大豎向荷載的構(gòu)件兼作第1道防線的抗側(cè)力構(gòu)件。

2.5 避免剛度突變

樓層側(cè)向剛度的突然變大或突然變小均屬于剛度突變，剛度突變是由于建筑體型復(fù)雜或主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系在豎向布置的不連續(xù)造成的。剛度突變的部位將產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形集中(或塑性變形集中)現(xiàn)象，應(yīng)力集中的部位如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，將先于相鄰部位進(jìn)入塑性變形階段，造成塑性變形集中，最終導(dǎo)致嚴(yán)重破壞甚至倒塌。剛度突變部位往往也是結(jié)構(gòu)層屈服承載力的突變部位，剛度突變屬于結(jié)構(gòu)的軟弱層并與薄弱層密切相關(guān)，因此，剛度突變部位經(jīng)常是薄弱層的重要表征之一。

2.6 控制抗震薄弱層

薄弱層問(wèn)題(只存在于第3水準(zhǔn)即“大震”設(shè)計(jì)中)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。薄弱部位也是確?！按笳鸩坏埂钡年P(guān)鍵部位，應(yīng)特別注意其抗震承載力及地震時(shí)的彈塑性變形問(wèn)題。

結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，這就是地震作用與荷載的最大區(qū)別，構(gòu)件的實(shí)際承載力分析(而不是承載力設(shè)計(jì)值分析)是判斷薄弱層(部位)的基礎(chǔ)。應(yīng)使樓層(部位)的設(shè)計(jì)承載力與設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性受力之比在總體上保持一個(gè)相對(duì)均勻的變化。但需注意的是，彈性計(jì)算結(jié)果與彈塑性分析結(jié)果之間往往存在較大的差異，一般情況下，彈性計(jì)算結(jié)果的規(guī)律性不能等同于結(jié)構(gòu)彈塑性的實(shí)際狀態(tài)，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)較為規(guī)則或者結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度較輕時(shí)，結(jié)構(gòu)彈性分析才與彈塑性分析之間有一定的相似性。對(duì)于不規(guī)則程度較高的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等，應(yīng)進(jìn)行專門的彈塑性分析，一旦樓層(部位)的設(shè)計(jì)承載力與設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性受力之比有突變時(shí)，會(huì)由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形集中。

要防止在局部上加強(qiáng)而忽視對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位剛度、強(qiáng)度的協(xié)調(diào)。要控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力而又不致使薄弱層位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

2.7 調(diào)控動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性(周期和振型)相近，一般情況下指相差宜在20%以內(nèi)，強(qiáng)調(diào)的是兩個(gè)方向的均勻問(wèn)題，對(duì)于橫墻很多、縱墻較少(或橫墻較少、縱墻很多)的建筑應(yīng)特別予以重視。這些建筑在強(qiáng)烈地震時(shí)，往往會(huì)由于某一方向太弱而率先破壞，從而引起整個(gè)建筑的連續(xù)倒塌。這里要求的是兩個(gè)方向動(dòng)力特性相近，而不是刻意要求兩個(gè)方向完全一致，因?yàn)閮蓚€(gè)主軸方向動(dòng)力特性不相近的房屋，其兩向的平面尺度一般相差較大(如長(zhǎng)矩形平面等)，如果過(guò)分強(qiáng)調(diào)兩向一致必然會(huì)引起其他性能的過(guò)大差異，例如抗震墻截面面積的較大差異，加大兩向受剪承載力的差異等。另外，當(dāng)兩個(gè)相鄰振型周期過(guò)于接近時(shí)，振型之間的藕聯(lián)明顯，如周期比為0.85時(shí)，藕聯(lián)系數(shù)約為0.27；而當(dāng)周期比為0.9時(shí)，藕聯(lián)系數(shù)則約為0.5。因此，尋求的是動(dòng)力特性與其他抗震性能的均衡、協(xié)調(diào)。

3 結(jié)語(yǔ)

概念設(shè)計(jì)是影響結(jié)構(gòu)抗震性能的最重要因素?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和地震作用傳遞途徑。設(shè)置多道抗震防線、選擇合理的剛度和承載力分布，避免剛度突變及薄弱層的形成，是保證結(jié)構(gòu)體系安全的有效措施。