抗震结构的概念设计

曾庆玲

（佳木斯市水务局，黑龙江佳木斯 154000）

1 引言

就目前世界的科学技术而言，要在短期内准确预报地震发生的时间、区域及其危害程度是不可能的。于是，人们自然想到要使震区防灾减灾，只有增加建筑物抵御地震震级标准，同时提高强震区抗震设防的综合能力便成为必然的选择。而在建筑物设计方面，是强化计算设计的周到全面、准确无误主要呢?还是强化有关抗震的一些重要概念进行设计呢?为此，一些建筑结构专家、工程力学专家和地震科学专家认为前者收到的预期效果难以达到;而后者搞好概念设计为实现其目的往往容易一些，于是地震结构的概念设计应运而生。

2 何为概念设计

概念设计是相对计算设计而言的。抗震概念设计是根据有关抗震的一些主要概念进行设计，包括结构方案的选择、构件造型、构件断面及配筋设计等。

长期以来，在历经国内外发生地震造成的各种相同相异灾害基础上，对比建筑物的原型与破坏程度，提出这样一种看法，对结构抗震设计而言，“概念设计”比“计算设计”更为重要。这是由于地震时的地面运动、结构体系、地基土影响等的复杂性，以及结构计算模型与实际情况的差异，使得“计算设计”很难有效地控制结构在地震作用下的薄弱环节，相反，如果依靠正确的概念来确定效果可能更好一些。针对以上，我国建筑抗震设计规范GBJII-89第二章特别强调了抗震概念设计的重要性，并提出几个重要的抗震概念及相应的措施和规定。

3 抗震设计中的几个重要概念

3.1 地震作用的基本概念

地震对建筑物的作用，表现为使建筑物产生动力反应，它是由地面运动引起的。由于地面运动的复杂性，因而地震作用也是复杂的。特别是地震作用不仅与地面运动有关，而且还与结构体系的动力特性有关。由于结构体系的复杂性，因而地震作用就更加复杂了。

地震作用不同于一般动荷载。一般动荷载对结构产生的效应，虽然也与结构动力特性有密切关系，但荷载本身，即其大小和随时间变化的规律，是与结构的动力特性无关的。而地震作用则不然，它本身也与结构的特性有密切的关系。事实上，地震作用是一种惯性荷载，首先与结构重量有关。一般来说，结构愈大，地震作用愈大。但也并非是一种简单的线性关系，有时适当增加结构重量，反而会减轻地震效应。

3.2 地震作用下结构的破坏的宏观概念

众多次地震灾害的情况来看，各类结构遭受的破坏千差万别，原因复杂，因素很多。概括地说，主要原因是由强度不足、延性不够、联结不牢、整体性不强、地基失效所引起的。

对广大的设计工作来说，“强度”的概念是很强的，是很重视的。但变形的概念，延性的概念却还没有受到普遍的重视。事实上，保证主要结构的延性，是防止整个建筑物在意外大震，或罕遇大震不倒塌的关键。因为延性好，可以抑制地震作用。如果联结牢固，结构整体性强，还可以使地震荷载重新分配，不致被各个击坡，不致因局部破坏而导致整体倒塌。

地基失效使建筑物造成破坏的问题，早已被日益重视。所谓地基失效，主要有两各种情况：①饱和砂土受到强烈振动时，砂处于离散状态，如同液体，丧失承载能力;②软弱地基，严重不均匀地基地地震时产生过大变形，严重沉陷，特别是不均匀沉降，以及地基滑移和地裂、地陷等情况。毫无疑问，处于这一种情况下的建筑物必然发生深陷、倾斜直至倒塌。显然，这种震害是不可能靠加强上部结构的办法来解决的，而应该选择对建筑物有利的地段为建筑场地。如确保避开可液化的或软弱地基时，则应着重在地基与基础方面采取抗震措施，同时也要适当增加上部结构的整体性。

应该指出，由于地震的复杂性及不确定性，单靠提高结构强度来抗御意外地震是不经济、也是不现实的，甚至是不可能的。

3.3 两种屈服机制

框架结构有两种基屈服机制，一种是楼层制（S机制）另一种是总体机制（O机制）。基其余机制均可由这两种机制组织而成。

楼层机制的特别是强梁弱柱，即塑性铰只发生在柱端，如图1。

总体机制的特别是强柱弱梁，即塑性铰只发生在梁端及底层柱根，如图2。

图1 楼层机制（S机制） 图2 总体机制（O机制）

试验研究及理论分析表明，总体机制可以耗散较多能量，可避免或延缓倒塌。

选择主要耗能构件应注意以下条件：它们屈服后的变形，应受到其他处于弹性阶段的构件所约束;它不是主要随竖向荷载的构件（底层除外）;有较好的延性和饱满稳定性的滞回环;它们应在总刚度中占有相当明显的一部分，但又有相对柔性。因此，主要耗能构件应以水平构件为宜。

对于抗震结构来说，既要重视重视适宜的耗能构件，又要注意保持一定的约束屈服阶段，图3。这样，可使延性构件充分发挥耗能作用，而脆性构件则仍处于弹性阶段，延性与脆性构件的共同工作，可实现一定的总体延性。这对于7、8度地震区是一种较为适宜的方案。

图3 屈服历程图

3.4 抗震设计的基本原则

可以概括为：选择坚实地基;基础适当加强;平面立面力求规则;质量、刚度均匀分布，质心刚心重合;结构布局合理，设置多道抗震防线，抗侧力构件基本正交;强度、刚度与延性的比例适当;合理选择屈服机制和耗能构件，慎重考虑构件节点与支座的连接强度;钢筋混凝土结构要避免过早的剪切、锚固与受压破坏;合理控制非弹性区域的部位;建筑重量要轻，楼层要矮;楼板的平面刚度大，结构整体性强。

[1]曹宏，李秋胜，李桂青.工程结构抗震[M].北京：气象出版社，1993.