房屋結構抗震的探討、應用及實現

云錫集團高級技工學校

摘要：近些年來，地震區(qū)頻繁出現地震，特別是級別不小的地震次數頻頻增加，逃生人員的安全成為關注的重點，因此房屋結構滿足逃生人員的需要有著重要的現實意義。通過分析近些年不同房屋結構震害的情況，闡述本文的抗震概念，提出通過小震、中震、大震、巨震四個階段結構驗算實現“小震，整體結構不壞；中震，整體結構可修；大震，整體結構不倒；巨震，整體避難單元不倒”的抗震性能，闡述地震避難單元的可用范圍，且初步探討實現上述房屋結構抗震性能的計算方法。

關鍵詞：地震；巨震；房屋震害；避難單元；抗震設計；計算方法

目前為止，房屋結構的抗震能力以三個水準為目標，即“大震不倒，中震可修，小震不壞”。建筑根據功能需求的不同，分為A、B、C、D四類建筑，抗震設置的目標合理的提高或降低，提高房屋結構的整體抗拒震能力來實現“大震不倒”的目標。而近些年來很多地區(qū)發(fā)生較大地震甚至特大的地震，一部分的地區(qū)的地震劇烈程度超過了預估的大烈程度，稱為巨震烈度。房屋塌陷、人員傷亡主要在這部分區(qū)域發(fā)生。在社會條件允許的情況下，如何解決房屋面對巨震烈度的難題。國內專家對此進行深入的研究。某高級工程師針對在地震逃生需要的基礎上，首次提出“巨震，避難單元不倒”的抗震概念，以地震逃生為出發(fā)點，把房屋設計為地震避難單元與非地震避難單元，在非地震避難單元具有一定的抗震性能之外，地震避難單元具有更強的抗震性能。才能夠同時兼顧經濟性、地震逃生目標、技術可行性等影響因素。但在實踐過程中實現“巨震，避難單元不倒”是一個非常重要且具有現實意義的問題。本文首先對近些年來不同房屋結構震害進行了分析，然后闡述避難單元的設置原則和抗震概念，最后提出實現“巨震，避難單元不倒”的方法。

1.關于震害分析

1.1地震結構物的震害分析

地震結構物房屋包括砌體結構、木結構、鋼結構、鋼筋混凝土的房屋。根據近些年地震受災區(qū)的觀察，砌體結構、木結構、鋼結構、鋼筋混凝土的房屋，當遇到巨震烈度時，均可出現局部甚至全部倒塌。隨著劇烈程度的增加，房屋的破壞嚴重程度增加。即使已經按照設防要求進行，房屋結構仍不能保證在巨震中保持不倒的性能指標。當房屋所處位置處于斷層之上，房屋結構的局部倒塌或整體倒塌很難避免。

1.2地震非結構物的震害分析

在近些年地震發(fā)生中，非結構物可能倒塌或破壞，造成人員傷亡，且大多數受難者存在一定的心理陰影。

1.3綜合分析

上述的震害實例表明，不管對于各種結構形式的結構物房屋還是非結構物的房屋，為了減少地震對人員產生的傷害和財產損失，均有設置避難單元的必要。

2.關于巨震的設防概念和設置原則

2.1巨震的設防概念

某中學教學樓設防地震烈度時6度，實際地震烈度達9～11度，是巨震烈度，教學樓已經全部塌陷，但是樓梯間沒有塌陷，樓梯是由鋼筋混凝土構成，在樓梯下的逃生人員得到有效地保護。在巨震的作用下，房屋的局部出現不塌陷的結構單元，可以當作一部分的避難單元，作為逃生人員的庇護所；類似樓梯框架部分的填充墻遭到嚴重的破壞或倒塌，對樓梯間的人員可能有一定的生命威脅，因此要對地震避難單元的非結構物提出對應的抗震能力要求，避免填充墻倒塌等情況造成人員生理和心理傷害，從而更有效的保護逃生人員；樓梯間僅僅是地震避難單元的一部分，應該根據逃生人員的需要，科學合理的布局地震避難房間、樓梯間、水平逃生通道等，構成一個相對完整的、獨立的地震避難、逃生空間系統(tǒng)。

從抗震減災的角度出發(fā)，可把房屋分為非地震避難單元與地震避難單元。地震避難單元與非地震避難單元都需要滿足抗震性能目標：小震不壞，中震可修，大震不倒。允許非地震單元結構物和非結構物在巨震中局部倒塌或破壞，不允許避難單元結構物在巨震中局部倒塌或完全倒塌，不允許避難單元發(fā)生非結構物倒塌或火災等破壞。在面臨地震時，逃生人員可以轉移到避難單元，從而減少財產損失和人員傷亡。

2.2巨震的抗震原則

地震避難單元是眾多單元中少數增加抗震能力的單元，實現減少人員傷亡和財產損失，利大于弊，設防目標對于經濟，具有一定的可行性。砌體房屋、框架剪力房屋、框架房屋等各種結構形式可以實現抗震原則：巨震，避難單元不倒。避難人員應根據可能發(fā)生的安全目標、逃生人員數量、逃生方式、逃生距離、結構布置、建筑功能等綜合確定，如砌體住宅中可把客廳和樓梯間設為避難單元。避難單元即是結構專業(yè)抗震，又是各專業(yè)在滿足安全目標的協(xié)同工作，地震避難單元，建筑學專業(yè)需要選用抗震性能好的輕鋼龍骨隔墻，防止可能發(fā)生的砸傷等傷害，設備類的專業(yè)采用相對應的措施防止次生傷害。比如房屋結構，在建筑學專業(yè)確定避難單元的設置范圍后，房屋結構專業(yè)應根據房屋抗震的分析需要，選擇合適的地震避難單元子結構，選擇合適的措施確保子結構在巨震中不會倒塌，從而實現建筑學專業(yè)對避難單元的要求，子結構的空間可以大于地震逃生單元空間，α是地震避難單元的子結構面積比。β是地震避難單元的子結構層面積比。用α和β來衡量，0≤β≤1，0≤α≤1.當α=0時，此建筑物內未設置避難單元子結構；當二者都等于1時，避難單元的子結構包含了整個結構，需要根據具體的需求選用更高的抗震性能目標。

3.實現巨震避難單元不倒

要想在面臨巨震烈度時，地震避難單元不倒的關鍵在于增強避難單元子結構抗震性能，使其結構構件在巨震中承受住該種烈度，且不會發(fā)生較大的變形，避免地震避難單元的子結構倒塌?，F在地震設防規(guī)范的抗震性能指標：大震不倒，中震可修，小震不壞，從下表可以看出設置避難單元房屋結構，不僅滿足抗震規(guī)范的要求，也滿足“巨震，避難單元”的要求，高于現行地震設防規(guī)范，抗震效果更好。

“—”表示抗震無效。

設置避難單元房屋結構可通過對整體房屋結構和個別地震單元子結構進行抗震驗算，從小震烈度進行，然后依依實現小震、大震、中震、巨震四水準的抗震要求。設防小震，可以對整體結構采用線彈性分析的方法，見下列方式：

R1/Y1≥S1，R2/Y2≥YS2

在式中：R1為小震時結構構件的承載能力設計值；S1是小震時結構構件的地震作用荷載效應的組合值；Y1為承載能力的調整系數；S2小震中地震避難單元的子結構結構物的地震作用荷載效應組合值；Y2為使避難單元子結構的荷載效應調整系數；R2是避難單元子結構結構物的承載力設計值，Y2≥1.0。

同理，設防大震對整體結構彈塑性變形進行驗算，對于地震避難單元的子結構承載力進行驗算，見下列方式：

△u≤[Θ]h，R3≥S3

在式中：[Θ]h代表彈塑性層間的位移角限值；h代表薄弱的層樓層高度；△u代表大震中房屋整體結構彈塑性層間的位移；R3為大震中地震避難單元的子結構結構構件承載力的標準值；S3是小震時避難單元的子結構結構構件地震作用荷載效應的設計值。

對于設防巨震，根據具體情況進行具體分析，滿足逃生人員的需求，設置設防目標，應對地震避難單元的子結構進行彈塑性的變形驗算，同時對避難單元的子結構承載力進行驗算，見下列方式：

△u1≤[Θ1]h1，R4≥S4

在式中：[Θ1]h1代表地震避難單元的子結構彈塑性層間的位移角限值；h1代表地震避難單元的子結構薄弱層樓的層高度；△u1為面臨巨震時，考慮其他子結構會對避難單元的子結構作用下彈塑性層間位移；R4代表巨震中避難單元子結構結構物的承載力設計值；S4是在巨震中，考慮其他子結構對避難單元子結構的作用下地震避難單元的子結構構件作用荷載效應的標準值，在需要的時候，可對整體結構與地震避難單元的子結構繼續(xù)中震驗算。

巨震設防會導致局部子結構的一些破壞甚至倒塌，建筑結構的側移和水平荷載關系圖，可以參考圖1。在當下的結構技術條件下，很難進行準確的結構分析。在確定建筑材料本構、構建破壞準則和地震時程曲線等基本條件下，對建筑結構對不同地震水平作用引起的動力反應，采用彈塑性動力時程相關分析法，進行全面分析，其計算的結構克作為相關工程的參考依據。從B到F階段，建筑結構處在塑性階段，由于諸多因素具有不確定性（如地震時程曲線、建筑材料本構的參數等），即使運用彈塑性時程分析，仍然很難得到精確的結果。由此，在實際工程中可以通過簡化計算，例如通過運用Pushover，或是采用比較規(guī)范的簡單方法進行分析。

4.結論

本文對巨震對不同結構造成的震害進行分析，解釋了“巨震，避難單元不倒”的相關抗震概念，介紹避難單元的設計規(guī)則與原則，并且提出“4水準、多階段”式抗震設計，可滿足上述相關抗震性能的目標，這種設計方式可以被靈活地運用于框架、砌體等建筑結構類型中。當下，對巨震烈度中建筑結構被破壞甚至倒塌的學習與研究還有很大不足，需要從各種角度做更加確切的研究。

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