結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)漫談

馬俊祥

（南通中房建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 226001）

結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)漫談

馬俊祥

（南通中房建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 226001）

本文根據(jù)地震作用的特點(diǎn)，闡述了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中“概念設(shè)計(jì)”的重要性，并結(jié)合工作實(shí)際提出了“概念設(shè)計(jì)”的基本原則和具體要求，為工程設(shè)計(jì)人員在今后的設(shè)計(jì)工作中提供思路。

建筑結(jié)構(gòu)；抗震；概念設(shè)計(jì)

地震是一種破壞作用極大的自然災(zāi)害，常常造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。我國是一個(gè)地震多發(fā)且災(zāi)情嚴(yán)重的國家，如何提高建筑物的抗震設(shè)計(jì)水平是當(dāng)前需要面對并努力解決的重要課題。

一、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的提出原因及必要性

每棟建筑物都是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體，在荷載作用下各構(gòu)件并非是以脫離體系的單一構(gòu)件獨(dú)自工作，而是以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作，精確計(jì)算其作用和受力是相當(dāng)困難的，在計(jì)算地震作用時(shí)尤其如此，由于地震作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)的復(fù)雜性及不確定性、人們對地震時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)識(shí)的局限性和模糊性、理論計(jì)算中的假定與實(shí)際情況的差異性，注定了在現(xiàn)階段無論計(jì)算工具再如何發(fā)展，計(jì)算過程再如何嚴(yán)格，其結(jié)果也只能是一種比較粗略的估計(jì)，甚至有時(shí)還根本無法計(jì)算。顯然在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，僅依靠現(xiàn)有理論進(jìn)行抗震計(jì)算往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，無法達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此在不確定因素眾多，受力狀況復(fù)雜的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，抗震概念設(shè)計(jì)的提出和應(yīng)用就顯得尤為重要了。

二、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的涵義

所謂抗震概念設(shè)計(jì)，一般是指不經(jīng)過計(jì)算，尤其在難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分結(jié)構(gòu)體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)中所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從總體的角度來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制，從而從根本上保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。

三、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則和具體要求

（一）建筑場地的選擇

地震造成建筑的破壞，除地震動(dòng)直接引起結(jié)構(gòu)破壞以外，還有場地條件的原因，諸如：地震引起的地表錯(cuò)動(dòng)與地裂，地基土的不均勻沉陷、滑坡和土體液化等。因此選擇有利于抗震的建筑場地是減輕建筑物地震災(zāi)害的第一道重要工序。

（二）建筑物的平面、立面及豎向剖面的布置

建筑物平面和立面的規(guī)則性是抗震概念設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素。規(guī)則的建筑方案體現(xiàn)在：建筑物的平面布置基本對稱；結(jié)構(gòu)體型簡單；抗側(cè)力體系的剛度和承載力上下變化連續(xù)、均勻。因?yàn)椋唵?、對稱的結(jié)構(gòu)容易估算其在地震時(shí)的反應(yīng)，容易有針對性的采取抗震措施并對其進(jìn)行細(xì)部處理。因此，這就要求建筑專業(yè)的設(shè)計(jì)人員具有一定的抗震知識(shí)素養(yǎng)，應(yīng)該對所設(shè)計(jì)的建筑的抗震性能有所估計(jì)，避免采用抗震性能差的嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。

（三）結(jié)構(gòu)體系的確定和結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)體系的確定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中頭等重要的大事。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過綜合分析使結(jié)構(gòu)體系盡量合理且經(jīng)濟(jì)，應(yīng)優(yōu)先采用抗震能力強(qiáng)、延性好、耗能能力強(qiáng)、便于施工且具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系（如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-筒體結(jié)構(gòu)，設(shè)置耗能連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)等），避免采用抗震能力較低的結(jié)構(gòu)體系（如板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)，單跨框架結(jié)構(gòu)等），尤其應(yīng)避免采用看似“合法”（符合規(guī)范）但不合理的結(jié)構(gòu)體系（如當(dāng)房屋高度接近規(guī)范框架結(jié)構(gòu)類適用高度上限時(shí)，仍采用框架結(jié)構(gòu)，震害表明，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，整體性較差，結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，此情況下應(yīng)采用抗震性能較好的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為宜）。而在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)采用概念清晰、傳力途徑明確的布置方式，盡量避免造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、平面和立面的里出外進(jìn)、豎向傳力桿件的間斷與不連續(xù)等問題。

（四）多道抗震防線的設(shè)置

單一結(jié)構(gòu)體系只有一道抗震防線，一旦破壞就會(huì)造成建筑物倒塌的嚴(yán)重后果。特別是當(dāng)建筑物的自振周期與地震動(dòng)卓越周期相近時(shí)，建筑物由此而發(fā)生的共振，更加速其倒塌進(jìn)程。而如果建筑物采用的是多重抗側(cè)力體系時(shí)，第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件在強(qiáng)烈地震作用下遭到破壞后，第二道乃至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立即接替，抵擋住后續(xù)的地震動(dòng)的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期與地震動(dòng)卓越周期相同或接近的情況時(shí)，多道防線就更顯示出其優(yōu)越性。當(dāng)?shù)谝坏揽箓?cè)力防線因共振而破壞，第二道防線接替工作，建筑物自振周期將出現(xiàn)較大幅度的變動(dòng)，與地震動(dòng)卓越周期錯(cuò)開，使建筑物的共振現(xiàn)象得以緩解，避免再度嚴(yán)重破壞。

在雙重結(jié)構(gòu)體系中一般應(yīng)優(yōu)先選擇不負(fù)擔(dān)或少負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或軸壓比值較小的抗震墻、實(shí)墻筒體等構(gòu)件作為第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件，如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻，框架-填充墻結(jié)構(gòu)中的填充墻，單層廠房縱向體系中的柱間支撐，均可作為各自體系中的第一道抗震防線。

如因條件限制，只能采用單一的框架體系，則框架就成為整個(gè)體系中唯一的抗側(cè)力構(gòu)件，此時(shí)應(yīng)采用“強(qiáng)柱弱梁”型的延性框架。在地震作用下，框架梁成為第一道抗震防線，框架柱為第二道抗震防線，用框架梁的變形去消耗地震能量，使框架梁的屈服先于框架柱的屈服，從而保護(hù)了框架柱的相對完整，最終達(dá)到“大震不倒”的要求。

（五）結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的把握

在結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注重對結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部位（如薄弱層，加強(qiáng)層等）、關(guān)鍵部位中的關(guān)鍵構(gòu)件（如加強(qiáng)層的重要豎向構(gòu)件、轉(zhuǎn)換層的水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件等）、關(guān)鍵構(gòu)件中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如梁柱節(jié)點(diǎn)，柱根部位等）幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的把握，從而實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固、強(qiáng)柱根弱桿件”的設(shè)計(jì)理念。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)不是拒絕進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是要求在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)明確：什么是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳選擇？采用不合理的結(jié)構(gòu)方案或結(jié)構(gòu)布置可能會(huì)帶來什么樣的后果？需要采取哪些補(bǔ)救或加強(qiáng)措施，并對這些措施的合理性和有效性做出客觀的評(píng)價(jià)，以保證結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，確保房屋安全。結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)不是指手畫腳的空洞說教，而是具有豐富內(nèi)涵的實(shí)實(shí)在在的工作。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析[S].

[4] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

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