關(guān)于國內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的探討

馮思達(dá)

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣東廣州　510010）

關(guān)于國內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的探討

馮思達(dá)

（廣東省建筑設(shè)計研究院 廣東廣州510010）

抗震結(jié)構(gòu)是抗震設(shè)計應(yīng)考慮的最關(guān)鍵問題，對安全和經(jīng)濟起著至關(guān)重要的作用，是綜合的系統(tǒng)作用。隨著經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)展，國內(nèi)外的抗震設(shè)計水平也日漸成熟。本文主要探討國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計上的聯(lián)系和差異，深入分析目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的現(xiàn)狀，根據(jù)實際情況提出相應(yīng)的設(shè)計要點和其中存在的幾點問題。

抗震設(shè)計；規(guī)范；隔震技術(shù)

北京時間2014年2月12日17點19分，在新疆于田縣（北緯36.1°，東經(jīng)82.5°）發(fā)生7.3級地震。近幾年來，世界各地都相繼發(fā)生了多次重大地震，2010年2月27日，智利第二大城市康塞普西翁發(fā)生8.8級地震，2014年3月10日，美國加州附近海域7.0級地震，2013年4月16日，伊朗、巴基斯坦交界地區(qū)7.7級地震，2015年2月17日，日本本州東海岸附近海域發(fā)生7.1級地震。面對毫無征兆來襲的地震，各國是如何預(yù)防和抵抗的呢？國內(nèi)外的抗震設(shè)防又有什么不同的地方呢？

1　美國的抗震設(shè)計規(guī)范

從以往的事例中不難發(fā)現(xiàn)，美國在較大地震下的震害都較輕，很大程度要歸功于其抗震規(guī)范。美國是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范上的先驅(qū)，是世界上最早將抗震條款寫入結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的國家之一，其抗震規(guī)范在國際抗震領(lǐng)域具有代表性。而中國的抗震研究則起步較晚，需要在與各國規(guī)范比較的過程中逐步完善，與國際抗震接軌。

從美國IBC2012規(guī)范中可以發(fā)現(xiàn)，美國的抗震設(shè)防目標(biāo)是使結(jié)構(gòu)在地震作用下倒塌風(fēng)險最小，為設(shè)計和建造抵抗地震的建筑物提供最低標(biāo)準(zhǔn)。不同于中國的多級抗震設(shè)防目標(biāo)，美國考慮了兩種等級的地震作用，即最大考慮地震和設(shè)計地震。最大考慮地震是通過考慮了不同地區(qū)地震危險性的差別而規(guī)定的，再對最大考慮地震進(jìn)行2/3折減得到設(shè)計地震。而中國規(guī)范對所有地區(qū)均采用50年超越概率10%的地震作用作為設(shè)防地震，這樣導(dǎo)致的結(jié)果就是罕遇地震下，不同地區(qū)的結(jié)構(gòu)倒塌危險性存在明顯差異。

在抗震設(shè)計方法上，美國規(guī)范采用了抗震驗算和抗震措施雙重保證的單一階段抗震設(shè)計方法，采用彈性反應(yīng)譜R-μ理論，去最大考慮地震的2/3的地震作用進(jìn)行抗震驗算，考慮不同結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計延性，將彈性分析的到的地震作用除于相應(yīng)的地震影響系數(shù)R進(jìn)行折減，得到設(shè)計荷載，用于結(jié)構(gòu)承載力驗算和變形驗算。其中同一類型的結(jié)構(gòu)還設(shè)定了不同的延性等級，從而影響設(shè)計地震力。設(shè)計人員將根據(jù)實際情況來采用不同的延性等級。美國規(guī)范中還將鋼筋混凝土框架分為“一般框架”、“中等框架”、“特殊框架”三個等級。但規(guī)范并不是在設(shè)防烈度峰值反應(yīng)加速度不同的地區(qū)都可以由設(shè)計者自行選擇設(shè)計哪一個等級的結(jié)構(gòu)，而是規(guī)定在高地震風(fēng)險區(qū)（設(shè)防烈度峰值反應(yīng)加速度大的地區(qū)）只能采用“特殊框架”，在中等地震風(fēng)險區(qū)則用“中等框架”和“特殊框架”，在低地震風(fēng)險區(qū)則可以選用三種中的任意一種。而中美兩國在設(shè)計方法上的最大差異點就是中國抗震設(shè)計規(guī)范采用了統(tǒng)一折減后的“小震”彈性譜，通過“小震”這一地震作用驗算等級進(jìn)行完全彈性的驗算，由內(nèi)力調(diào)整與抗震措施來考慮結(jié)構(gòu)的塑性耗能。由于在這一地震作用驗算等級下進(jìn)行的是彈性分析，結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到其屈服強度，所以從可靠度的角度來看結(jié)構(gòu)的安全性成立。

在建筑重要性類別上，美國規(guī)范根據(jù)建筑的功能以及破壞時的危害性將建筑分為四個類別，分別是Ⅰ類：破壞時危及人們生命安全風(fēng)險很小的建筑；Ⅱ類：除Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ類以外的其他一般建筑；Ⅲ類：破壞時危及人們生命安全風(fēng)險較大或造成較大經(jīng)濟損失的建筑；Ⅳ類：地震時作為必要設(shè)施或抗震救災(zāi)需要的建筑。而對于不同的重要性類別，美國規(guī)范采用了不用的重要性系數(shù)，進(jìn)行了抗震設(shè)計類型劃分，用于確定適用的結(jié)構(gòu)體系、高度、不規(guī)則性限制及地震荷載組合系數(shù)。為了減小地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，中國規(guī)范也同樣就危險性將建筑的重要性分為四類，但在設(shè)防概念上則有所不同。

2　日本的抗震設(shè)計方法

日本是一個堪稱地震最多的國家，也正是因為頻繁的地震災(zāi)害，使得日本的抗震技術(shù)快速發(fā)展、完善，并形成了比較完整的技術(shù)體系。日本的抗震意識方面一直做得很好，在地震中總能將人員傷亡和經(jīng)濟損失降到最低，在大型地震中也極少出現(xiàn)大量房屋倒塌的情況，這與他們不斷開發(fā)防震減災(zāi)新技術(shù)息息相關(guān)。

日本的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)是其具有代表性的抗震方法之一。在此前舉行的第十屆中日建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會中，中日雙方根據(jù)各國的規(guī)范對同一棟結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，從而對比兩國在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法上的差異。在比較中我們發(fā)現(xiàn)，中國規(guī)范中規(guī)定，采用隔震設(shè)計后上部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度可以降低一度，而日方則沒有降低一度的要求，而且日方的隔震結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為在水準(zhǔn)二作用下，上部結(jié)構(gòu)保持彈性，相當(dāng)于中國規(guī)范的大震彈性設(shè)計，中方是小震彈性的計算結(jié)果，地震的輸入比日方小，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)地震相應(yīng)也會減小，可見對上部結(jié)構(gòu)的抗震性能要求日方要比中方高。在結(jié)構(gòu)選型方面，中方選用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，日方采用的是有端柱的單向剪力墻結(jié)構(gòu)體系?？梢钥闯鋈辗捷^為注重建筑的使用功能，中方偏重于結(jié)構(gòu)的合理布置。對于隔震層的布置，中方在滿足隔震目標(biāo)的前提下盡量降低造價，注重結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟型，日方采用的是“一柱一支座”的布置形式，盡量增大結(jié)構(gòu)的自振周期。由于上部結(jié)構(gòu)布置、隔震層布置及隔震結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的不同，導(dǎo)致了日方的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力和地震位移相應(yīng)大于中方的計算結(jié)果。

日本在對于隔震設(shè)計的規(guī)范上，有關(guān)于隔震器材認(rèn)證的明確規(guī)定，但對于減震結(jié)構(gòu)沒有規(guī)定。在隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以視其復(fù)雜程度選用簡易計算或時程分析法。關(guān)于隔震器材也是多種多樣，主要有橡膠支座（天然、鉛芯、高阻尼），滑板支座，滾動支座；油阻尼器，鋼阻尼器，鉛阻尼器，摩擦阻尼器。采用減震結(jié)構(gòu)是如果遇到減少斷面的情況，需要通過結(jié)構(gòu)審查，務(wù)必做到結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)性。

除了隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計外，日本在許多細(xì)節(jié)方面也做足了功夫。如樓梯設(shè)計時，多采用剛樓梯，和主結(jié)構(gòu)采用鉸接，這樣既加強了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，又不影響地震時主結(jié)構(gòu)的水平力傳遞模式。在混凝土選材時嘗試采用高強混凝土如150級，或者使用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)（預(yù)制柱，梁，半預(yù)制板），以此來保證質(zhì)量并縮短工期，配合隔震減震體系保證抗震性能。對于填充墻方面，日本多采用ALC干式，輕質(zhì)隔間墻或輕鋼龍骨石膏板墻，可以做到減少結(jié)構(gòu)自重，并追隨主體結(jié)構(gòu)的較大層間變形。

3　小結(jié)

中國規(guī)范采用設(shè)防地震對應(yīng)的地震動參數(shù)作為地震區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各地在罕遇地震作用下的倒塌風(fēng)險不一致，怎樣借鑒美國規(guī)范地震區(qū)劃方法保證一致的倒塌率還需要進(jìn)一步的研究。此外，中國規(guī)范結(jié)構(gòu)的延性與地震作用計算沒有直接關(guān)系，這不符合結(jié)構(gòu)性能設(shè)計原則，如何考慮結(jié)構(gòu)的延性等級采用不同的地震作用折減系數(shù)還需進(jìn)一步完善。另一方面，中國經(jīng)濟的快速發(fā)展將為減震控制技術(shù)的大量應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)，國產(chǎn)大直徑隔震支座和阻尼器日趨穩(wěn)定，可滿足各種層次的需求，極大地促進(jìn)消能減震技術(shù)的推廣應(yīng)用。然而在隔震與減震上的產(chǎn)品種類還較少，質(zhì)量有待進(jìn)一步提高，并且地震高烈度去多在經(jīng)濟相對不發(fā)達(dá)的地區(qū)，解決起來存在一定問題。而地震低烈度區(qū)建設(shè)減震控制結(jié)構(gòu)，由于沒有經(jīng)濟效益，推廣應(yīng)用受到制約。因此我們還需要深入開展理論研究，提出更方便、更合理的設(shè)計方法，為工程界所接受。

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[2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

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TU973.2

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1673-0038（2015）20-0019-02

2015-4-28