结构抗震概念设计及抗震新技术在民用建筑中的应用

史飞，刘杨，张军

(西南石油大学建筑工程学院，四川成都610500)

1 概念设计概述

概念是在头脑中形成的反映对象本质属性的思维形式，它是将所感知事物的共同本质特点抽象出来加以概括而形成，概念设计是伴随设计的产生而产生的。如果仅仅按照规范和一般的抗震程序来进行设计，要使建筑结构的抗震设计得以符合“技术先进、经济合理、安全使用”的原则是困难的。因此，我们必须把重点放在如何针对不同的建筑空间及环境要求，优化选择结构的整体方案上。这就是我们所要说的建筑结构抗震方案设计中的“概念设计”

所谓的概念设计一般是指不经过计算，尤其在难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构关系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、实验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从总体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念设计的近似估算方法，可以在建筑抗震设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。这种方法虽有一定误差，但它概念清楚、定性准确、手算简单快捷，能很快选择出最佳方案和确定主要构件的基本尺寸大小。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。在建筑结构方案抗震设计中运用“概念设计”的思想，要求结构工程师不仅仅能精确地计算分析一个已经给定的分体系或构件，更重要的是要能够对结构总体系的承载能力和性能，以及总体系与各基本分体系(或构件)之间的力学关系有透彻的认识，从而运用整体概念去考虑总体结构的关系。

2 概念设计与结构计算关系

新修订的《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2001)也重视概念设计。因为随着社会的进步，经济的发展，建筑物随着人口的增加越建越密集，物资财富的积累也越来越多。而且，我们的房子越做越大，结构越来越复杂，如果发生地震灾害，对我们所造成的损失也会越来越大。然而随着计算机在设计中越来越广泛地应用，有些设计人员越来越迷信计算机的计算结果，而不注重结构的整体分析，好象计算结果满足要求了，这个建筑物就安全了，如果不满足，就加大配筋和断面，结果梁越做越大，柱越做越肥，这样做的结果，不仅造成很大的浪费，而且简单地加大单个构件往往改变了结构构件的内力分配，不能确保结构安全。这种教训是很多的，比如在1976年唐山地震中，天津第二毛纺厂三层的框架厂房因偏重于局部构部件的加固，没有重视对结构总体抗震性能的分析，造成不合理的加固使抗震薄弱层发生转移而倒塌。因此，一个只会计算而不会分析的结构工程师不是一个称职的结构工程师，只迷信计算结果而不注重概念设计，甚至有可能把能够避免或能减少损失的自然灾害变成实际人为的灾害。地震灾害是比较常见的自然灾害，也是破坏力很大的自然灾害，设计什么样的结构最利于抗震，作为一个结构设计人员，应该有一个清醒的概念。

3 民用建筑结构抗震概念设计的主要思想

概括地说，一个有利于抗震的建筑，首先必须有一个有利于抗震的建筑场地，它的建筑结构应该具有尽可能规则的平立面;结构体系具有合理而不间断的传力途径;同时应确保结构的整体性，受到地震作用的时候构件能够共同工作，按设计的要求达到极限状态;构件的破坏具有一定的先后顺序，必要的时候牺牲次要的结构来消耗地震能量，以保护主要结构，使人的生命和财产的损失降低到最小的程度。

3.1 避开不利地质区域

我们都知道，万丈高楼从地起。建筑物能否有效地抵抗地震破坏，首先需要有一个坚实的地基基础，因此，我们在选择建筑场地的时候，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对不利地段，应提出避开要求;当无法避开时应采取有效措施;不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。地震除了直接造成结构破坏以外，还可能引起地表的错动与地裂，地基土的不均匀沉降，滑坡和粉、砂土液化等，造成建筑物的间接破坏。一个好的建筑场地，不仅能使建筑物有效地抵抗地震的破坏，而且还能减少投资，降低成本。

3.2 协调结构与建筑设计

抗震概念设计不是结构设计人员所能完全包办的，建筑设计师应具备一定的抗震知识。但由于专业分工不同，结构工程师往往会比建筑师更注重分析地震作用，所以，结构工程师应利用自己所掌握的知识，协助建筑方案设计人员对建筑物平立面进行合理的调整，使之既功能齐全，美观大方，符合建筑设计的要求，又能使结构尽量规则，符合抗震设计的要求。具体地说，就是要求建筑及其抗侧力结构的平面宜规则、对称，并具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

3.3 建筑平、立面外形选择

历次震害调查及力学分析表明，建筑平、立面外形尺寸突变处、质量分布突变处、竖向抗侧力构件截面尺寸和材料强度突变处、由于应力集中都容易产生比较严重的震害，而刚度中心与质量中心的偏离容易引起建筑物的扭转而产生比较严重的震害;整体性差的建筑物，如抗侧力结构水平或竖向不连续(单跨或不连续框架、竖向结构转换)、抗侧力构件错位(包括混凝土框架、混凝土抗震墙、砌体结构抗震横墙)，由于赘余度偏少或传力路线不顺畅，抗震性能就会大幅度降低。对于不规则的建筑，在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。对于严重不规则的方案，不应采用。如果一个建筑物因为方案设计不合理而造成不必要的浪费，甚至形成安全隐患，那么，这个设计就是失败的，因此，建筑结构规则性对于抗震是相当重要的。

3.4 结构体系选择

建筑结构确定以后，还应该合理地选择结构体系。结构设计人员应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定结构体系。新的《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2001)要求结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途经，使设计人员更容易掌握和控制结构所受的地震作用，更容易发现计算结果的错误;在抗震设计的过程中应正确分析力的传递途径，合理的分配调整内力，加强容易遭受地震破坏的结构或构件的抗震能力，避免部分结构(构件)破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力;应具备必要的抗震承载能力，良好的变形能力和消耗抗震能量的能力，这样利用结构的变形消耗掉部分地震的能量，可以大大减轻地震作用对结构的破坏;宜有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。薄弱部位是抗震能力最弱的地方，在设计过程中，应使该部位的实际承载力和设计计算的弹性承载力之比在总体上保持一个相对均匀的变化，避免由于内力重分布导致塑性变形的集中，同时还要防止加强局部而忽视整个结构的刚度和强度的协调，使它有足够的变形能力又不发生薄弱部位的转移;宜有多道抗震防线。在很多情况下，由于地震作用的不确定性和反复性，地震破坏是不可避免的，适当处理构件的强弱关系，使其形成多道防线，是增加结构抗震能力的重要措施。

以著名美籍华裔设计师林同炎设计的尼加拉瓜首都马那瓜美洲银行大楼为例，该楼18层、61 m高。由于采取了多道防线，刚柔结合的概念设计思想，通过在总体系中预设薄弱环节作为强烈地震作用下可被破坏但不影响整体安全的耗能构件保证结构的抗震性能。在1972年马那瓜强烈地震作用下，该楼仅出现少量裂缝，经过简单维修加固后至今仍可使用，而周围大量建筑物倒塌，5 000多人死亡。美洲银行大楼在马那瓜地震中的表现充分证实了概念设计思想的创造性和前瞻性。说明以承载力、刚度和延性为主导目标，在罕遇的强烈地震作用下，通过充分发挥结构和构件的延性与耗能能力，仍可使结构具有足够的承载能力。

概念设计不同于简单的结构计算，不可能死套规范，但它对整个建筑物的抗震性能起着决定性的作用，进而会影响工程的造价和施工的难易程度，因此我们必须重视它。当然，强调概念设计的重要并不是结构计算就不重要，计算结果的满足是结构安全的保证。我们强调概念设计，是为了让建筑物能更合理、更有效地抵抗地震作用，用最低的成本，设计出更为安全的建筑。

4 建筑物抗震的新技术

4.1 隔震技术

在建筑结构中应用隔震技术是国际上热门的工程抗震新技术。它通过把隔震消能装置(如橡胶隔震垫)安放在结构物底部和基础(或底部柱顶)之间，把上部结构和基础“隔开”。这样，改变了结构的动力特性和动力作用，明显地减轻结构物的地震反应，达到“以柔克刚”的效果。国内外大量的试验和工程实践证明，隔震体系一般可使结构水平地震加速度反应下降60%左右，从而消除或有效减轻结构的地震损坏，提高建筑物及其内部人员的安全性。隔震体系具有很大的垂直承载力(50～2 000 t)及很大的垂直压缩刚度，而其水平变形刚度较小(0.25～1.8 kN/mm)，水平极限变位值较大(10～50 cm)，它具有足够大的初始刚度，以抵抗风荷载和轻微地震，当强地震发生时，又能自由柔性滑动，而变形过大时，刚度回升，具有保护和限位作用，钢板夹层橡胶隔震垫具有较大的复位能力，在多次地震中自动瞬时复位。同时，它耐久性能好，一般使用寿命可在70年以上，远远超过一般民用建筑物50年使用寿命的要求。1994年1月17日，美国洛杉矶大地震中，该市相距不远的两个医院，一个是隔震的，地震时医师护士照常工作;另一个是不隔震的，损坏厉害，一直无法恢复工作。1995年1月17日，日本神户大地震，该市的西部邮政大楼和松村研究所大楼等隔震房屋经受了地震的考验，房屋结构安全完好，仪器、设备、装修等丝毫无损。根据其特性，一般来说隔震技术主要适用于较重要的低层和多层建筑，如医院、学校、商场、科研机构以及重要的指挥职能单位。

4.2 消能减震技术

建筑结构的消能减震技术方法是指在结构的某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件等)设置消能阻尼装置或元件，通过消能装置产生摩擦非线性滞回变形耗能来耗散或吸收地震能量以减小主体结构的水平和竖向地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，以达到减震抗震的目的。这种方法主要用于高层或超高层建筑。隔震和消能减震技术目前在日本、美国已有了一定数量的应用，并在震害中有较好的表现。我国从九十年代开始，也以试点的方式在一些工程中应用了这些技术并取得了一些好的经验。新的抗震设计规范已给出了隔震和消能减震技术工程应用的指导性意见，标志着这些新技术已进入实用性阶段。

由于隔震和消能减震体系能使建筑上部结构承受的地震作用大幅度降低，使上部结构构件和节点的断面、配筋减小，构造及施工简单，从而可节省造价。

5 总结

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构抗震设计和抗震技术也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构抗震设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。运用概念设计方法，可以在建筑抗震设计的方案阶段就迅速有效地对结构体系进行构思、比较与选择，从而使方案概念清晰和定性正确，避免在后期设计阶段出现一些不必要的繁琐运算，具有良好的经济性和可靠性。

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