关注地震灾害 强化建筑抗震设计

李瑞明

摘 要:本文论述了地震波对建筑物的影响,提出了建筑设计中的主要抗震设计问题,如:建筑体型,建筑平面和竖向布置要有利于建筑抗震。并结合震害,论述了建筑体型简单对称、平面和竖向布置中质量与刚度分布均匀协调对建筑抗震的重要性。

关键词:建筑设计;建筑抗震设计;建筑体型;建筑平面布置

2008年5月的汶川地震造成了重大的人员伤亡及财物损失,房屋损毁严重,汶川县八个镇被夷为平地,大多数人也是因为房屋倒塌而遇难。房屋结构安全、抗震性能等问题,再次受到广泛关注。汶川当地的设防裂度是七度,7.8级地震在当地相当于裂度9度到10度,很多房屋倒塌是无法避免的,究其原因是设计建筑的时候对抗震的考虑不足。今就建筑抗震设计中几个比较重要的问题,谈个人的一些粗浅看法,供有关工程技术人员参考,不妥之处,望指正。

1 掌握地震对建筑物破坏的因素

地震引起建筑物破坏的原因来自多方面。过去有人认为,只要把房屋加固,即可起到抗震作用。事实上,地震对建筑物的破坏,不仅在于房屋结构本身,而且与地震引起的强烈地面运动对地基土壤的影响,以及不同建筑物对地震的反应有着密切的关系。

1.1 地震波对建筑物的影响

地震从震源发出后,产生地震波。地震波在地壳弹性实体中扩散,形成两个分力:一个是纵波、另一个是横波。纵波往地面扩散时,质点的振动方向与波的前进方向一致,可产生上下颤动。横波的质点振动方向与波的前进方向垂直,成左右摇晃动作。这两种波相比,纵波的传播速度为横波的1.8倍,因此纵波先于横波到达。纵波因振动周期短(约为0~0.5秒),振幅小,传播的距离较近,而横波因振动周期长(约在1秒以上,有时可达2~5秒),振幅大,传播的距离较远。对建筑物来说,纵波只影响8~11公里,而后强度就衰减,但横波可以影响到160公里以外的地方。所以地震时,在震中附近,建筑物会同时产生上下颇动和左右摇晃,在离震中较远处,上下颇动就较少或先感觉有微弱上下颇动,然后才感觉左右摇晃。在地震学中,另有一种波叫面波。它是纵、横波经地层介质多次反射形成的次生波。一般当横波到达时,地面运动最为剧烈。因此多数国家在抗震设计中,除一些特种工程外,只考虑横波的影响。

此外,地层内的岩层裂隙错动范围对震级大小有密切关系。岩层裂隙错动范围越大,震级就越大,强震时间就越长,因而产生地震波就越强。

1.2 建筑物受地震波策动的反应建筑物按一般物理特性,都具有其振动的固有周期。如地震波的振动周期与建筑物的固有周期愈接近,就愈容易产生谐振现象,加剧建筑物振动造成损失,甚至引起倒塌。建筑物固有周期,一般可按建筑高度、重力加速度等参数,从横型测试或实际振动数据计算得知。相对来说,特别是从地震破坏波及的地区广度来说,大地震对高层建筑影响较大,小地震对低层建筑影响

2 重视地震区建筑设防

地震区建筑设防不设防,震后的结果大不一样。以美国洛杉矶圣费尔南多地震为例,由于接受了1933年长滩地震使房屋普遍倒塌的教训,重视执行抗震设计规范,减少了这次地震房屋建筑的损失,大多是局部遭受了一些损坏,只有近千栋房屋倒塌。长滩地震时,因学校建筑未考虑抗震问题,都遭到重大破坏。但圣费尔南多地震中,所有九千所学校的建筑,由于考虑了抗震,设了防,只一些非结构件遭到损坏,也容易修復。1925年没有按抗震规范设计、建造的一座二、三层钢筋混凝土框架结构大型医院建筑,遭到严重倒塌。而其近旁1938年后修建的一些房屋,由于重视抗震设计规范的要求,多数采用剪力墙以加强抗震能力,只出现一些非主要裂缝。因此,地震区建筑如何设防,减少震灾,是各国普遍重视的问题。

3 建筑设计中需重视的几个抗震问题

3.1 建筑构件(非结构构件)设计及建筑连接节点构造设计问题

随着建筑立面和室内空间装饰标准的提高和发展,在建筑设计上采用的建筑构件品种、材料和形式越来越多。例如,立面上大量采用的外贴瓷砖,外贴、外挂大理石,花岗岩板材,还有外挂的玻璃幕墙等;室内装饰普遍采用的空中吊灯、吊顶,较高装饰标准采用的人工艺术造景,壁雕,悬挑的装饰画,竖立的雕塑制品等。所有这些立面和室内的装饰,都有一个其本身材料和构造是否能抗御住地震的震动而不坏的问题,同时还有与建筑物主体结构相牢固连接的问题。多次地震的震害表明,国外有不少高层建筑的外立面装饰玻璃幕墙在地震时出现了“玻璃雨”的破坏(我国因玻璃幕墙在近十年来才较多采用,尚未经受过地震的实际考验)。其原因就是所采用的玻璃幕墙(包括材料性能及其与主体结构的连接构造)不能适应建筑物在地震中产生大变形的要求。所以,在采用玻璃幕墙时,在建筑设计要求上,必须使玻璃幕墙具有足够的强度和变形能力,在其与主体结构的连接构造上,要将连接节点设计成能沿水平向有相应变位能力的节点构造,使其与建筑物的地震变形脱开,不给外挂的玻璃幕墙造成变形破坏。对于外挂的大型石材面板与主体结构的连接构造也应按上述要求考虑处理。对直接外贴的板材和瓷砖,则必须使其与主体结构能牢固锚拉和粘结,使其在地震时不脱开不坠落。据知,在日本的高层建筑上很少用直贴面砖装饰立面的,而我国则有的直贴得很高。需要重视其抗震的构造连接问题。

对室内的各种装饰工程,尤其是悬吊的大型灯具,浮挂的雕塑,各种悬桃的人工艺术造景等,在建筑设计上,一定要重视其在地震发生时的抗震稳定性,在其与主体结构的连接构造上也宜考虑它有一定的相对于建筑物的变形能力和必要的节点连接强度,防止其在地震中发生坠落或倒塌伤人。在建筑设计中,还有相当多的属于建筑布置的非结构构件,如内隔墙、内隔断、玻璃隔断、壁橱(柜)等,也要考虑它们与主体结构(柱、墙)的牢固锚拉,保障其抗震稳定性,不发生倒塌破坏,或采用与主体结构脱开的保障自身稳定的抗震措施。

3.2 建筑上应满足的设计限值控制问题

根据大量震害的经验总结,现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)对房屋建筑在建筑设计中应考虑的一些抗震要求的限值控制提出了规定。这些规定,建筑设计应予遵守。是房屋的建筑总高度和层数。若发生超规情况,都可能对建筑物的抗震安全带来不利,特别是对于高宽比过大的多、高层建筑更是不利。因为在这种情况下,存在房屋的整体抗震稳定问题。应该说,这些限值的控制在建筑设计上只要重视抗震是完全可以做到的。而在某市的抗震设计审查中发现,建筑超高和高宽比过大的设计达14%之多。这说明在建筑设计中未能严格按照《规范》规定进行设计的问题不是个别的,应引起建筑设计的重视;是对房屋抗震横墙间距和局部墙体尺寸的限值控制。这是根据多层砌体房屋和底层为框架的多层砌体房屋在历次地震中所出现的破坏特征所提出来的规定。对抗震横墙间距的最大限值控制,是因为当横墙间距过大时,楼盖的平面刚度削弱,水平地震力不能即时传递,使纵墙的侧向变形加大,抗震承载力降低,甚至导致纵墙的侧向失稳破坏倒塌对房屋局部墙体尺寸最小限值的控制,是因为这些部位的墙体(包括承重和非承重外墙的尽端墙,内墙的阴角,高出屋面的女儿墙)在小于规定的最小限值时,墙体截面的抗震强度(抗弯、抗剪)就不能满足要求,就会导致墙体的开裂和倒塌破坏。所以,在建筑进行平立面布置设计时,要考虑这些来自实际震害经险的设计控制规定,使建筑设计为建筑抗震提供良好的基础。

总起来说,建筑设计是建筑抗震设计的一个重要方面,建筑设计与建筑抗震设计有着密切的关系。它对建筑抗震起着重要的基础作用。一个优良的建筑抗震设计,必须是在建筑设计与结构设计相互配合协作共同考虑抗震的设计基础上完成。为此,要充分重视建筑设计在建筑抗震设计中的重要性,在建筑抗震设计中更好地发挥建筑设计应有的作用。

参考文献

[1] 马宏旺.钢筋混凝土框架结构抗震可靠度分析与设计研究[D]. 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (博士),2001,(01).

[2]程耿东,李刚. 基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨[J]建筑结构学报, 2000,(01).