談建筑師必備的一些抗震設計概念

朱善東，楊　林

(1.浙江郡原地產股份有限公司，浙江 杭州 310013；2.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310022)

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談建筑師必備的一些抗震設計概念

朱善東1，楊林2

(1.浙江郡原地產股份有限公司，浙江 杭州 310013；2.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310022)

摘要：介紹了建筑抗震設計基本概念，分析了建筑結構實際震害情況，并總結出建筑結構規(guī)則性的主要要求及砌體結構和鋼筋混凝土結構抗震設計的一般規(guī)定。倡議建筑師要重視學習抗震相關知識并勇于建筑創(chuàng)新。

關鍵詞：抗震設防等級；抗震設防烈度；平面不規(guī)則；豎向不規(guī)則；抗震性能

我國處于環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶，是世界上地震災害最嚴重的國家之一，地震強度大、分布廣、頻率高，損失重。新中國成立60多年來，地震造成的死亡人數接近40萬，比其他自然災害造成死亡人數的總和還多。2008年汶川地震和2010年玉樹地震又給了我們沉重的教訓。當前正處于“十三五規(guī)劃”的第一年，中國已經進入全面建設小康社會的新時期，如何在經濟和社會發(fā)展的同時切實做好抗震防災工作，最大限度地減輕地震災害帶來的損失，是中國政府高度重視的問題。本文通過抗震的一些基本概念、汶川地震概況及震害情況、建筑結構規(guī)則性的主要要求和建筑抗震設計的一般規(guī)定四部分內容的介紹，以期使讀者能夠了解建筑抗震設計的基本理論知識。

1抗震的一些基本概念

1.1地震震級和地震烈度

震級代表地震本身的大小強弱，它由震源發(fā)出的地震波能量來決定。而烈度是地震波及范圍內建筑物遭受的破壞程度，在同一次地震中是因地而異的，它受著當地各種自然和人為條件的影響。對震級相同的地震來說，如果震源越淺，震中距越短，則烈度一般就越高。同樣，當地的地質構造是否穩(wěn)定，土壤結構是否堅實，對于當地的地震烈度高或低有著直接的關系。對于同一次地震只有一個地震等級，而地震影響范圍內的各地卻有不同的地震烈度。例如1976年唐山地震，震級為7.8級，震中烈度為11度；受唐山地震的影響，天津市地震烈度為8度，北京市烈度為6度，再遠到石家莊、太原等地就只有4～5度了。地震震級和烈度的統(tǒng)計對應關系見表1。

1.2抗震設防烈度和結構抗震等級

抗震設防烈度為按國家規(guī)定的權限批準作為一個地區(qū)抗震設防依據的地震烈度[1]?？拐鹪O防烈度必須按國家規(guī)定的權限審批、頒發(fā)的文件(圖件)確定?？拐鹪O防烈度是一個地區(qū)的設防依據，不能隨意提高或降低。其中，抗震設防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑，必須進行抗震設計。

抗震等級為設計部門依據國家有關規(guī)定，根據建筑物設防類別、烈度、結構類型和房屋高度，而采用不同抗震等級進行的具體設計?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的抗震等級見表2。

表1　震級與烈度統(tǒng)計對應關系(參考)

表2　現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的抗震等級[1]

1.3抗震設防目標

抗震設防目標分為基本目標和性能化目標兩大類。基本目標為當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不須修理可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經一般性修理仍可繼續(xù)使用；當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞[1]。性能化目標是針對每個工程的具體情況，包括技術和經濟的可能條件，設計上提出比基本目標更為具體的、靈活的、明確的、定量的、切實可行的設計目標。限于地震研究的現(xiàn)狀，性能化目標應以提高結構和構件的變形能力并同時提高抗震承載力為首選。性能化目標不能低于基本目標。結構構件實現(xiàn)抗震性能要求的承載力參考指標見表3，結構構件實現(xiàn)抗震性能要求的層間位移參考指標見表4。

表3　結構構件實現(xiàn)抗震性能要求的承載力參考指標示例[1]

表4　結構構件實現(xiàn)抗震性能要求的層間位移參考指標示例[1]

2汶川地震概況及震害情況

2.1汶川地震概況

2008年5月12日14點28分，四川省汶川縣發(fā)生8.0級強烈地震。震源深度為14 km左右。地震釋放的能量相當于5 600顆廣島原子彈爆炸所產生的能量，震中烈度高達11度。

此次地震有感范圍非常廣，震波輻射半徑達2 000 km，除新疆、吉林、黑龍江外，北京、上海、臺北、香港等其他省、區(qū)、市乃至泰國首都曼谷均有震感。

地震造成的破壞范圍非常大，受災最嚴重的地區(qū)是四川省汶川縣、北川縣、都江堰市、什邡市、綿竹市等地，面積超過10萬km2。

重災區(qū)建筑物垮塌的數量和慘狀令人觸目驚心，地震引發(fā)的山體崩塌、滑坡、滾石等地質災害更是比比皆是。汶川地震是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震，地震的強度和烈度都超過了1976年的唐山大地震。

2.2汶川地震震害情況

2.2.1砌體結構的主要震害特征

1)不同烈度區(qū)砌體結構的震害差異較大；

2)多層砌體結構和底部框架結構中砌體部分整體性差、抗連續(xù)倒塌能力低；

3)未進行抗震設計的老舊房屋破壞比經過抗震設防或加固的房屋破壞重；

4)砌體結構的各部位在地震中都會發(fā)生震害；

5)砌體與鋼筋混凝土混合體系中磚砌體破壞嚴重。

砌體結構破壞特征見圖1。

圖1　砌體結構破壞

2.2.2框架結構的主要震害特征

1)柱端彎剪破壞因柱端彎矩、剪力、軸力都較大。上下柱端出現(xiàn)水平裂縫、斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土局部崩落、壓碎，柱縱筋外露、壓彎或呈燈籠狀鼓出。

2)柱身破壞由剪力、扭矩復合作用引起。

3)角柱破壞當房屋發(fā)生扭轉時，角柱受剪最大；同時又因雙向受彎。所以震害比內柱重。

4)短柱破壞通常長細比<4或柱高與短邊之比<4時為短柱。短柱主要由柱斷面和層高關系、錯層和填充墻和門窗洞口的布置形成。短柱剛度大，分配到的地震剪力也大，常發(fā)生剪切破壞。

5)梁柱節(jié)點破壞因節(jié)點核心區(qū)箍筋不足或設置不到位，在剪壓作用下節(jié)點區(qū)破壞。見圖2。

6)梁端破壞梁端縱筋錨固不足產生的錨固破壞和剪切破壞。

7)結構縫處破壞兩側建筑物互相碰撞，造成墻體、屋面或檐口局部破壞，裝修塌落。

圖2　梁柱節(jié)點破壞

2.2.3樓梯結構的主要震害特征

樓梯作為上下兩層樓板間的斜向聯(lián)系桿件，在地震時振動與整體結構不同步，受到較大拉(壓)力。2008年以前我國設計常規(guī)，樓梯無須進行抗震設計，承載力設計時一般都未考慮地震時附加的拉(壓)力。此次地震中，樓梯梯段板(大多在梯段板的施工縫處)、梯梁(大多在梯梁跨中)、梯柱和平臺板均有較嚴重破壞，且基本上各烈度區(qū)均有發(fā)生。見圖3。

圖3　樓梯間破壞

3建筑規(guī)則性的主要要求

建筑設計應根據抗震概念設計的要求明確建筑形體的規(guī)則性。不規(guī)則的建筑應按規(guī)定采取加強措施；特別不規(guī)則的建筑應進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；嚴重不規(guī)則的建筑不應采用。

規(guī)則的建筑方案體現(xiàn)在體型(平面和立面的形狀)簡單，抗側力體系的剛度和承載力上下變化連續(xù)、均勻，平面布置基本對稱。即在平立面、豎向剖面或抗側力體系上，沒有明顯的、實質的不連續(xù)(突變)。

不規(guī)則是相對規(guī)則而言，主要包括平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則兩種。由于引起建筑不規(guī)則的因素還有很多，特別是復雜的建筑體型，很難一一用若干簡化的定量指標來劃分不規(guī)則程度并規(guī)定限制范圍，所以只能列舉一些定量的參考界限來區(qū)分不規(guī)則、特別不規(guī)則和嚴重不規(guī)則。不應采用嚴重不規(guī)則的建筑方案。平面和豎向不規(guī)則的主要類型見表5、表6，特別不規(guī)則的項目舉例見表7，其他高層建筑見表8。

表5　平面不規(guī)則的主要類型[2]

表6　豎向不規(guī)則的主要類型[2]

表7　特別不規(guī)則的項目舉例[2]

表8　其他高層建筑[2]

4抗震設計的一般規(guī)定

4.1砌體結構抗震設計的一般規(guī)定

1)基于多層砌體房屋材料的脆性性質和震害經驗，限制其層數和層高是主要的抗震措施。一般情況下，應根據砌體房屋類別及最小抗震墻厚度、烈度和設計基本地震加速度，確定房屋層數和總高度限值。并按規(guī)定控制層高：多層砌體承重房屋的層高，不應超過3.6 m，底部框架-抗震墻砌體房屋的底部層高不應超過4.5 m。

2)多層砌體房屋一般可以不做整體彎曲驗算，為了保證房屋的穩(wěn)定性，必須控制其高寬比，最大高寬比不應大于2.5。

3)多層砌體房屋的橫向水平地震力主要由橫墻承擔，橫墻間距對房屋倒塌影響很大。為滿足樓蓋對傳遞水平地震力所需的剛度要求，抗震橫墻的最大間距要加以嚴格限制。如6度區(qū)現(xiàn)澆屋蓋多層砌體房屋的抗震橫墻間距不應大于15 m。

4)防止因砌體房屋局部部位的失效，而造成整棟結構的破壞甚至倒塌，需對砌體墻段的一些重要局部尺寸的最小尺寸進行限制。如6度、7度區(qū)承重窗間墻的最小寬度不宜小于1.0 m。

5)多層砌體房屋應優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結構體系，不應采用砌體墻和混凝土墻混合承重的結構體系?？v橫向砌體抗震墻的布置應符合相關要求。并注意抗震縫、樓梯間和轉角窗等較重要影響抗震性能環(huán)節(jié)的設置。

4.2混凝土結構的抗震設計的一般規(guī)定

1)建筑高度對于抗震設計具有舉足輕重的作用。從安全和經濟諸方面綜合考慮，對采用鋼筋混凝土材料的高層建筑適用最大高度應進行限制。現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的最大適用高度見表9。超過表內高度的房屋，應進行專門研究和論證，采取有效的加強措施。

表9　現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的最大適用高度[1]　m

2)鋼筋混凝土房屋應根據設防類別、結構類型、烈度和房屋高度四個因素確定抗震等級。特別注意設置少量抗震墻的框架結構、主群樓相連的建筑、甲乙類建筑和地下室的抗震等級的確定。每一個抗震等級對應了相應的計算和構造措施，體現(xiàn)了對不同抗震設防類別、不同結構類型、不同烈度、同一烈度但不同高度的鋼筋混凝土房屋結構延性要求的不同，以及同一種構件在不同結構類型中的延性要求的不同。

3)樓、屋蓋平面內的變形，將影響樓層水平地震剪力在各抗側力構件之間的分配。為使樓、屋蓋具有傳遞水平地震剪力的剛度，抗震墻之間樓屋蓋的長寬比不宜超過相關規(guī)定限值要求。框架和抗震墻均應雙向設置?？拐饓κ侵饕箓攘嫾?，抗震墻的平面布置要有利于控制平面扭轉，豎向布置應連續(xù)，防止剛度和承載力突變。同時墻支長度、開洞位置和大小、底部加強部位的范圍和邊緣構件的設計要滿足相關規(guī)定的要求。

4)由于在強烈地震下相鄰結構仍可能局部碰撞而損壞，故應合理選取抗震縫的位置且縫寬的最小尺寸應滿足相關規(guī)定限值要求。

5)砌體填充墻雖不是直接受力的結構構件，但在震害中破壞表現(xiàn)普遍且明顯。不僅要重視砌體填充墻本身的材料要求及其與主體結構的連接要求(特別是樓梯間和人流通道的填充墻)，同時要避免由其形成的薄弱層和短肢等情況。

5結語

本文通過汶川震害情況結合國家規(guī)范規(guī)定對建筑抗震設計理論中建筑師常涉及部分作了詳細闡述。其旨在倡議建筑師能夠重視學習抗震知識相關內容并運用到建筑創(chuàng)作中去；并鼓勵建筑師們有目的地建筑創(chuàng)新，促進建筑抗震技術和理論的發(fā)展。

參 考 文 獻

[1]中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》管理組.建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011—2010)統(tǒng)一培訓教材[M].北京：地震出版社,2010.

收稿日期：2016-02-22

作者簡介：朱善東(1980—)，男，浙江溫州人，高級工程師，從事建筑結構分析與優(yōu)化工作。

中圖分類號：TU352.1+1

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3707(2016)05-0006-05

Discussion on the Essential Earthquake ResistantDesign Concepts for Architects

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