從抗震基本理念出發(fā)分析單跨框架結(jié)構(gòu)體系

王艷

【摘 要】本文結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)條文，抗震基本理念出發(fā)，分析單跨框架結(jié)構(gòu)在抗震上的不利。由于沒有多道抗震防線，側(cè)向剛度較小，結(jié)構(gòu)屬于靜定結(jié)構(gòu)，沒有足夠多的冗余度，地震中很容易發(fā)生脆性破壞，造成倒塌。工程中如必須采用此類結(jié)構(gòu)，必需結(jié)合抗震基本理念采取相應(yīng)的加強措施。

【關(guān)鍵詞】單跨框架 延性破壞 防線 側(cè)向剛度 超靜定次數(shù)

1 單跨框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）6.1.5條，“甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”在本規(guī)范條文說明6.1.5中，對單跨框架結(jié)構(gòu)的解釋為“框架結(jié)構(gòu)中某個主軸方向均為單跨，也屬于單跨框架結(jié)構(gòu)；某個主軸方向有局部的單跨框架，可不作為單跨框架結(jié)構(gòu)對待”，也就是說，有單跨框架不一定就是單跨框架結(jié)構(gòu)，只有在框架結(jié)構(gòu)中，某個主軸方向均為單跨框架，或者兩個多跨框架之間的最大距離超過下表規(guī)定時，才可認定為單跨框架結(jié)構(gòu)（表1中數(shù)據(jù)來自朱炳寅《建筑抗震設(shè)計規(guī)范的應(yīng)用與分析》）

2 抗震設(shè)計理念

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念最基本的應(yīng)該是避免地震中的脆性破壞，也就是說，在破壞之前，地震能量先使一部分構(gòu)件屈服，此部分屈服降僅低了結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)，產(chǎn)生延性破壞而非徹底的脆性破壞。我們抗震中堅持的“墻柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”等設(shè)計準側(cè)也正是為了在實際設(shè)計體現(xiàn)這一抗震理念。

3 結(jié)構(gòu)體系設(shè)置在抗震理念方面的體現(xiàn)

3.1多道抗震防線

如果建筑物采用的是僅有一道防線的結(jié)構(gòu)體系，一旦該防線破壞后，在后續(xù)的地震作用下，就會導致建筑物的倒塌，特別是當建筑物的自振周期與地震特征周期相近時，建筑物會由此產(chǎn)生共振，更加速了其倒塌過程。

相反，如果建筑物采用多重抗側(cè)力體系，第一道防線的抗震力構(gòu)件破壞后，第二道乃至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立刻接替工作，，抵抗后續(xù)地震力沖擊，進而可以保證建筑物最低限度的安全，避免倒塌。在地震周期方面，多道防線更是有利，第一道防線若因共振破壞，第二套接替后，建筑物的自振周期將發(fā)生大幅改變，與地震特征周期值錯開，從而阻止持續(xù)的共振，避免倒塌。

單跨框架結(jié)構(gòu)即為僅一道防線的結(jié)構(gòu)體系，由于單跨框架兩框架柱均承擔較大豎向荷載，負有支撐整個結(jié)構(gòu)的責任，若框架柱一旦破壞，整個結(jié)構(gòu)將面臨徹底倒塌，沒有任何其他安全保障。

3.2足夠的側(cè)向剛度

根據(jù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析理論（i=1，2，3…n， i=1，2，3…m），其中：

—j振型i質(zhì)點的水平地震作用標準值；—相對于j振型自振周期的影響系數(shù)（見圖1）；—j振型i質(zhì)點的水平相對位移；—j振型的參與系數(shù)。

圖1：地震影響力系數(shù)曲線

由公式及圖1曲線看，自振周期越長，結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度反應(yīng)越小，即地震影響系數(shù)越小，結(jié)構(gòu)所受到的地震作用就越小。也就是說結(jié)構(gòu)越柔越好一些。但是，公式中值同樣對地震作用有線性影響，就國內(nèi)外震害研究看來，對于一般高層建筑來講，結(jié)構(gòu)越柔，地震時變形越大，較大的層間位移反而導致結(jié)構(gòu)主體破壞嚴重， 同時非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如隔墻和維護結(jié)構(gòu)等均破壞嚴重，經(jīng)濟損失慘重，且危及人身安全。

框架結(jié)構(gòu)相對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等側(cè)向剛度較大的結(jié)構(gòu)體系，側(cè)向剛度較小，而單跨框架側(cè)向剛度就更小了，尤其對于層數(shù)較多的高層建筑，此類結(jié)構(gòu)在抗側(cè)剛度上很難達到限值要求。

3.3足夠的超靜定次數(shù)

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計上，防止倒塌是最低目標，也是最重要和必須保證的要求。而結(jié)構(gòu)倒塌基本上都是結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞以后結(jié)構(gòu)體系無后續(xù)保障直接變?yōu)闄C動體系的結(jié)果。因此，結(jié)構(gòu)的冗余度越多，即結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)越多，結(jié)構(gòu)體系進入倒塌的過程就越長，結(jié)構(gòu)安全越有保障。

首先，從能量消散的角度，地震過程中，結(jié)構(gòu)上沒增加一個塑性鉸，就必然會多消耗一部分地震作用傳來的能量，這樣整個結(jié)構(gòu)中可出現(xiàn)塑性鉸的部位越多，就越能經(jīng)受較強的地震作用而不倒塌，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)越多，潛在塑性鉸的數(shù)量就越多，結(jié)構(gòu)的抗震安全度就越高。

另外，從結(jié)構(gòu)傳力路徑上來看，超靜定結(jié)果要遠遠優(yōu)于靜定結(jié)構(gòu)。對于靜定結(jié)構(gòu)，傳力路徑是單一的，一點其中某一構(gòu)件或局部節(jié)點發(fā)生破壞，整個結(jié)構(gòu)就會因為傳力路徑破壞而失效。而超靜定結(jié)果，在超負荷狀態(tài)工作時，破壞首先發(fā)生在冗余構(gòu)件上，地震作用力還可以通過其他路徑傳遞下去，后果僅僅是降低了超靜定次數(shù)，整個結(jié)構(gòu)體系仍然是穩(wěn)定的，并具有一定的抗震能力。

單跨框架結(jié)構(gòu)屬于靜定結(jié)構(gòu)，受力形式及傳遞路徑單一，一旦某一構(gòu)件或節(jié)點發(fā)生破壞，整個結(jié)構(gòu)將面臨倒塌的危險，很容易重大的財產(chǎn)損失及人員傷亡。

4 結(jié)語

由以上理論分析以及實際中震害研究表明，單跨框架結(jié)構(gòu)，尤其是層數(shù)較多的高層建筑，在地震中震害比較嚴重。因此，應(yīng)按規(guī)范要求，對于高層結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用超靜定次數(shù)低的單跨框架。對于一般非高層建筑，當必須采用單跨框架結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采取設(shè)置支撐、增加柱子翼墻或少量的鋼筋混凝土抗震墻等加強措施，以保證結(jié)構(gòu)具備盡可能多的冗余度，較強的側(cè)向剛度以及多道防線，以防止倒塌災害發(fā)生。

參考文獻：

[1]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]朱炳寅.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)用于分析》.中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]黃世敏，楊沈等.《建筑震害與設(shè)計對策》.中國計劃出版社，2009.