关于地震竖向效应的探讨

刘东波

(攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川 攀枝花 617023)

最近几十年，国际国内频繁发生地震，自二十世纪七十年代以来发生了七级以上地震十多次，唐山地震、松潘地震、阪神地震、台湾地震、汶川地震、智利地震……。从震灾上分析，灾害各种各样，无统计规律可言。人类由地震灾害总结、完善、寻求抗震理论的时代已经过去。对现行抗震理论质疑声越来越强烈。本文从下面几个方面探讨地震竖向效应的有关问题，与同行商榷。

1 地震灾害简述

根据二十世纪七十年代以来的震害资料、图片，以及部份现场勘察，地震灾害竖向结构受损，似乎无统计规律了。

1976年唐山地震灾害总结时，提出了现浇结构比预制结构抗震性能好，当时的抗震规范依此进行了修正。后来的阪神地震灾害总结时，得到了预制结构比现浇结构抗震性能好，那么，到底哪种结构形式好呢?无人回答。唐山地震灾害总结时得到框架结构比砖混结构的抗震性能好，但是笔者在丽江地震灾害总结中得到了:砖混结构比框架抗震性能好，江油地震的震害表现为框架结构比砖混结构抗震性能好。唐山地震灾害总结时得到“窖洞”(拱形)屋面、过梁和砖、钢筋砖过梁抗震性能差，且在新的抗震规范中，取消了这种结构及构造，但在丽江地震中，发现一栋“窖洞”形屋面、砖过梁的建筑完好无损，震后正常使用。

从震害上看，几乎全是竖向结构受伤、损、坏，未见一例梁的跨中伤、损、坏。未见一例板跨中伤、损坏。框架的支座有伤损，但建筑物的倒塌不是由于梁的支座伤、损，而是柱的破坏导致的。大跨度的梁也未见到跨中破坏之现象。

2 现行抗震理论关于竖向地震的论述及分析

现行抗震理论以地震的水平效应研究为主，附带地简述了地震竖向效应，认为地震的竖向效应同地震的水平效应。在现行抗震规范——建筑抗震设计规范GB 50011——2001(2008年版)——仅在5.3节分三部分进行论述。关于“规范”对竖向地震效应的论述，我们可以看出下面几方面的问题。

(1)建筑物的竖向地震效应仅考虑9度时，那么9度以下为什么不考虑呢?相关的教科书，也未涉及这方面的论述。“规范”还强调了9度时的竖向地震效应计算，那么，大于9度之上呢?当然，现行“规范”，或者人类认知的地震强度是9度及其以下，对于9度以上的地震，只有听天由命了。

(2)地震竖向效应仅限于高层建筑，那么，多层建筑、超高层建筑就可以不计算吗?若此，怎么从竖向地震效应上区分多层建筑、高层建筑、超高层建筑呢?关于这方面，现行“规范”在今天以前无法解决这个问题。

(3)关于竖向地震效应计算，“规范”给出计算公式，这个公式的计算结果与水平地震效应相同。按这个结果现实中应该是，9度区的高层建筑物的水平震害与竖向震害相同，可是，现实中不是这种情况。“规范”为什么要增加一个“增大系数1.5”，增大系数“1.5”的理论依据是什么?

(4)对于特殊屋盖结构，“规范”仅涉及平板型网架屋盖，那么，拱型网架、桁架屋面呢?

(5)对于大跨度的屋架，“规范”仅涉及了跨度大于24 m的屋架，那么，小于等于24 m跨度的屋架，竖向地震效应又是多少，是否小到工程可以忽略的程度?

(6)对于平板型网架屋盖和跨度大于24 m的屋架，“规范”只涉及了8、9两度，那么，对于6、7两度，其竖向地震效应是多少呢?其值真的可以忽略不计吗，大于9度又怎么办呢?

(7)“规范”表5.3.2给出了平板型网架、钢屋架、钢筋混凝土屋架在8、9度，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地条件下的竖向地震作用系数。从表中可以看出场地土越硬，竖向地震作用系数就越小，这个系数是根据反应谱理论给出，至于这个系数是否与实际相符，就无人知晓了，因为人类现在还未认识地震波在场地土中的传递规律。当然，建筑物的地震反应仅由建筑物所在场地(点)的建筑物所接受到的地震波决定。从这个意义上讲，某一栋建筑物经历了某一次地震的地震反应与场地土的软硬无关。

(8)关于长悬臂和其他大跨度结构，一是结构界限不清，二是与场地土无关。

3 建筑物的结构动力特性

(1)对于框架结构的建筑物，其层间的抗侧移周期(某一层的质量与该层的刚度组成的周期)与层间的竖向周期之比为1∶0.1～1∶0.01;对于剪力墙结构的建筑物，其层间的抗侧移周期与层间的竖向周期之比为1∶1～1∶10;对于砖混结构的建筑物，其层间的抗侧移周期与层间的竖向周期之比为1∶0.6324。

(2)对于建筑物的竖向地震效应，除了考虑结构的竖向刚度外，楼板、梁的竖向振动不可忽略。现行抗震理论无法考虑这一点。按第三部分的叙述，现行抗震理论在计算建筑物竖向地震效应时还是假定了楼面竖向刚度无穷大。楼面的竖向刚度远大于结构的抗侧移刚度，梁的竖向刚度大于结构的抗侧移刚度。楼面上的荷载小于结构上的荷载。在地震时楼面上的活荷载并不象恒载那样起作用。因此，在地震时，活荷载对楼面的效应不同于恒载。人的自重也属活荷载，但是由于人在地震发生时会移动，因此，它对楼面的地震竖向效应也不同于活荷载。

4 现行抗震理论关于竖向地震效应计算的缺陷

(1)从地震灾害上统计，未见一例竖向地震效应破坏现象，而现行抗震理论计算的结果是应该有竖向地震效应破坏之例，因此，该理论不符合现实情况。

(2)现行抗震理论对竖向地震效应的计算原理同水平地震效应，现行抗震理论无法区别竖向地震效应与水平地震效应。

(3)建筑物结构的抗侧移刚度小于或远小于结构的竖向刚度与楼板、梁竖向刚度之和;加上楼面荷载的特殊性，现行抗震理论关于竖向地震效应的计算值得商榷。

(4)由于建筑物的地震反应由建筑物与该建筑物所接收到的地震波决定，因此，场地土与建筑物的地震反应无关，而现行抗震理论无法考虑场地土的影响。场地土只影响或者决定地震波传递规律。

(5)现行抗震理论关于竖向地震效应的计算对象是特指的，对于未涉及的对象，也是无法计算的，因此现行抗震理论存在缺陷。

(6)现行抗震理论计算结果是间断的，夹杂了许多人为因素、经验和地震灾害统计，因此，现行抗震理论有待于进一步修改完善。

5 结束语

本文分析了地震灾害，阐述了建筑结构的竖向动力特性，分析、论述了现行抗震理论对竖向效应的可行性。本文认为现行抗震理论关于竖向地震效应的研究是错误的，值得人们进一步研究。本文提出一些新的观点，未经试验验证，欢迎同行批评指正。