多道抗震設防與建筑抗震設計

蔣安靜　顧欣欣

摘要：在建筑抗震設計中，應盡可能設置多道抗震防線，利用延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同工作抵抗地震力或利用贅余桿件屈服和變形來吸收消耗大量的地震能量，同時利用贅余桿件的破壞與退出工作，使整個結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另外一種體系，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期的變化，以避開共振效應，從而減輕建筑物在地震作用中的破壞程度。

關鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；多道抗震設防；設計

1.概述

由于地震動具有明顯的隨機性和復雜性，加之建筑的動力特性、所在場地、材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的不確定性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前難以做到。在地震預報科學水平有限的今天，為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠性，不僅僅要依靠結(jié)構(gòu)抗震能力的相關計算，還必須綜合考慮多種因素：場地條件和場地土的穩(wěn)定性；建筑的平立面布置；抗震結(jié)構(gòu)體系的選??；材料與施工質(zhì)量等，著重從建筑物的總體上進行抗震設計即結(jié)構(gòu)的抗震概念設計。

縱觀近年來國內(nèi)外大地震，采用單一結(jié)構(gòu)體系（例如單跨框架結(jié)構(gòu)）的建筑物，僅有一道抗震防線，在強烈地震作用下，它的倒塌率遠遠超過采用雙重（例如框架一抗震墻、框架一支撐等）或多重抗側(cè)力體系的房屋的倒塌率。研究[LU1]表明，這些震害現(xiàn)象不僅與結(jié)構(gòu)本身剛度與承載力有關，更與多道抗震防線有緊密聯(lián)系。

多道抗震防線指的是：第一，一個抗震結(jié)構(gòu)體系，應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來協(xié)同工作，如框架一抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個系統(tǒng)組成；雙肢或多肢抗震墻體系由若干個單肢墻分系統(tǒng)組成；第二，抗震結(jié)構(gòu)體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度，有意識地建立起一系列分布的屈服區(qū)，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復。

具有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系有多跨框架、框架-填充墻體系、框架-剪力墻體系、框架-簡體體系、筒中筒體系等。

2.多道抗震設防的基本原理

一次大地震，某場地產(chǎn)生的地震動，能造成建筑物破壞的強震持續(xù)時間，少則幾秒，多則十幾秒，甚至更長。長時間的地震動，會對建筑物產(chǎn)生往復式的沖擊，造成積累式的破壞。如果建筑物采用的是多重抗側(cè)力體系，第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件在強烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的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卓越周期相同或接近的情況時，當?shù)谝坏揽箓?cè)力防線因共振而破壞，第二道防線接替后，建筑物自振周期將出現(xiàn)較大幅度的變動，與地震動卓越周期錯開，使建筑物的共振現(xiàn)象得以緩解，減輕地震的破壞作用。

因此，在抗震設防中應考慮多道抗震防線。優(yōu)先采用不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或者選用軸壓比值較小的抗震墻、實墻筒體之類構(gòu)件，作為第一道抗震防線。如因條件限制，只能采用單一的框架體系，則應采用“強柱弱梁”型延性框架。在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，利用梁的變形來消耗輸入的地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。連系梁的設置以及恰當?shù)呐浣钅軌蛟鰪娊Y(jié)構(gòu)的延性。當遭遇地震時，這些連系梁首先承擔地震前期脈沖的沖擊，以達到保護主體結(jié)構(gòu)的目的。

3.工程實例

近十年來國內(nèi)最大地震-2008年5月12日四川汶川地震發(fā)生后，專家組在第一時間通過大量對汶川地震災區(qū)的建筑物破壞情況實地調(diào)查，對汶川地震中的典型建筑物破壞案例進行討論分析，發(fā)現(xiàn)災區(qū)建筑物的破壞類型呈多樣性，主要表現(xiàn)形式有：砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱斷裂、承重墻體開裂、樓梯破損、甚至整體坍塌等；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的框架柱梁破壞（圖1）、個別墻體與柱連接處開裂、填充墻開裂、樓蓋破壞（圖2）等。本次地震發(fā)生在川西地區(qū)，當?shù)剞r(nóng)村修建的磚混結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)房屋基本未考慮抗震設防，普遍存在較大的質(zhì)量安全隱患，大部分磚混結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)房屋抗震性能較差。其中，磚混結(jié)構(gòu)房屋的鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱設置也很不規(guī)范（圖3）。

分析以上破壞案例可知，對于砌體結(jié)構(gòu)，應嚴格按照抗震規(guī)范要求，設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁（圖4），并確保兩者的連接，以便加強建筑物的穩(wěn)定性，提高多層砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。構(gòu)造柱、圈梁雖然不能提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，但作為約束構(gòu)件，可以提高墻體的延性。在大震作用下，磚墻被破壞后，被圈梁構(gòu)造柱箍起的墻體還可不倒塌，這就形成了抗震的第二道防線。

汶川地震中，大多數(shù)純多層框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)震害一般較輕，多為“強梁弱柱”類型的破壞形式即框架結(jié)構(gòu)的柱端發(fā)生裂縫或破損，而框架梁卻完好無損，或柱倒塌，梁隨之倒塌，這就不能達到抗震設計目的。圖5建筑的柱太細且截面配筋細而不足，呈“強梁弱柱”類型，中間一層形成薄弱層，易引起局部倒塌。因此，抗震設計應保證“強柱弱梁”的延性框架，“強柱弱梁”即在地震時，保證讓梁端先出現(xiàn)裂縫，形成塑性鉸來吸收一部分地震能量，梁為第一道防線，柱為第二道防線，從而避免柱子先于梁遭受破壞。同時，也可以適當?shù)脑诖罂缍瓤蚣芙Y(jié)構(gòu)中墻體位置處增設剪力墻，或在柱間設置支撐等，來形成抗震的多道防線。大震發(fā)生時，讓其增設部件作為結(jié)構(gòu)的“第一道防線”率先破壞，消耗地震能量，減小對整體結(jié)構(gòu)的破壞程度，從而保護主體結(jié)構(gòu)的安全。

本次地震中，框架一剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)，由于具有較大的抗側(cè)剛度和承載力，顯示出了優(yōu)越的抗震性能，尤其是與統(tǒng)一地區(qū)的框架結(jié)構(gòu)相比，框架一剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)的損壞要輕很多。由各類結(jié)構(gòu)形式建筑的震害情況可以看出，雙重抗側(cè)力體系的建筑的破壞程度遠遠低于單側(cè)力體系建筑。因此，多道抗震防線的設置對建筑物的抗震至關重要。

4.多道抗震設防的工程應用

蘇綸紡織廠建于20世紀90年代初期，主廠房共3層，層高超過6m，已使用19年。原設計為單向框架結(jié)構(gòu)，按當時規(guī)范情況未進行抗震設計。業(yè)主擬將主廠房改建為大型商業(yè)超市，保留原有建筑外觀，增強結(jié)構(gòu)抗震性能，并賦予其新功能?？拐鹪O防烈度為6度（第一組），設計基本地震加速度值為0.05g，建筑場地類別為Ⅲ類。