结合震害论述抗震设计基本概念的重要性

陆曼华

（大连化工研究设计院，辽宁 大连 116023）

我国是一个地震频发的国家。每次大的地震，都会给人民的生命财产造成巨大的损失，究其原因并不是地震本身直接造成的，而是由于我们建造的房屋没能抵御地震的影响，抗震能力薄弱而造成垮塌，给人民生命财产造成巨大损失。所以作为一名房屋结构设计人员应该掌握结构抗震设计的基本概念，使房屋结构在预估的地震作用下实现大震不倒、中震可修、小震不坏的基本设防目标，防止地震对人民的生命财产造成重大损失。

1 建筑抗震设计的基本思想

首先要在设计中保证在规定的荷载下结构处于弹性工作状态，具有一定的强度，保证安全，又要有足够的刚度，结构变形在使用允许的范围之内。在这个前提下，还要保证结构在遭遇地震荷载下能避免人员伤亡，减少经济损失。我国为此制定的《建筑抗震设计规范》GB5001—2001（2010版）以下简称《抗震规范》规定其抗震设防目标是：“当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。”即常说的“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

2 房屋震害的主要表现

从国内外近几年来地震后房屋的震害来看，可大致归纳为以下几个震害表现：

2.1 场地地基方面

1）断层错动、滑坡、地陷等地面变形对建筑物的破坏非常严重，工程场地选址时要注意避开抗震危险地段。

2）砂土液化引起地基不均匀沉陷，导致上部结构破坏或整体倾斜。

3）在具有深厚软弱冲积土层的场地上，高层建筑的破坏率显著增高。

4）当建筑的基本周期与场地的卓越周期相近，破坏程度将因共振效应而加重。

2.2 房屋体型方面

1）平面复杂的房屋，如L形、Y形等，破坏率显著增高。

2）有大底盘的高层建筑，裙房顶面与主楼相连处楼板面积突然减小的楼层，破坏程度加重。

3）房屋高宽比较大且上面各层刚度很大的高层建筑，底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏。

4）相邻结构或毗邻建筑，因相互间的缝隙宽度不够而发生碰撞破坏。

2.3 结构体系方面

1）相对于框架体系而言，采用框—墙体系的房屋，破坏程度较轻，特别有利于保护填充墙和建筑装修免遭破坏。

2）采用“框架结构＋填充墙”体系的房屋，在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时，柱上端易发生剪切破坏；外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏。

3）采用钢筋混凝土板柱体系的房屋，或因楼板冲切破坏，或因楼层侧移过大，柱顶、柱脚破坏，各层楼板坠落，重叠在地面。

4）采用“底部纯框架＋上部砌体结构”体系的房屋，相对柔弱的底层，破坏程度十分严重；采用“框架结构＋填充墙”体系的房屋，当底层为开敞式的纯框架，底层同样遭到严重破坏。

5）采用单跨框架结构体系的房屋，因结构冗余度较少，强震作用下易发生整体倒塌。

2.4 刚度分布方面

1）采用L形、三角形等不对称平面的建筑，地震时因发生扭转振动而使震害加重。

2）矩形平面建筑，电梯间竖筒等抗侧力构件的布置存在偏心时，易发生扭转振动。

2.5 构件形式方面

1）钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙（过梁）常发生斜向裂缝或交叉裂缝。

2）在框架结构中，绝大多数情况下，柱的破坏程度重于梁。

3）钢筋混凝土框架，如在同一层中出现长、短柱并用的情况，短柱破坏严重。

4）配置螺旋箍的钢筋混凝土柱，当层间位移角达到很大数值时，核心混凝土仍保持完好，柱仍具有较大的竖向承载力；形成对照的是，配置方形箍的钢筋混凝土柱，箍筋崩开，核心混凝土破坏脱落。

2.6 非结构方面

1）刚度较大的砖砌体填充墙平面布置不合理易导致建筑平面刚度分布不均匀，发生扭转破坏；竖向布置不合理易导致建筑竖向刚度突变，产生薄弱楼层破坏；局部布置不合理，容易使框架柱形成短柱，产生剪切破坏。

2）附着于楼屋面的机电设备，女儿墙等非结构构件，地震时容易倒塌或脱落伤人，设计时应采取与主体结构可靠的连接与锚固措施。

鉴于以上地震时房屋的震害表现，我们在着手设计某个房屋时，首先应该强调抗震概念设计的必要性。

3 抗震概念设计的几个方面

3.1 应该合理选择工程场址

如果工程场址选择不当，地震时地面运动剧烈，对建筑物产生的破坏作用也是相当大的，如果单靠工程措施来防止建筑物发生破坏，不但很难达到，而且造价相当高。因此，选择工程场地首先应该详细勘察，搞清地形，地质情况，选择对建筑物有利的地段，避开对建筑抗震不利的地段，任何情况下均不得在抗震危险地段上建造建筑物。

我国抗震设计规范第4.1.7条明确规定，对建筑抗震有利的地段主要指基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等。对建筑抗震危险的地段主要指地震时可能发生滑坡、崩塌、地裂、泥石流等以及发震断裂带上可能发生地表错位的部位。因此，在进行山区建筑设计时尤其应重视场地地质条件的情况，还应注意避免在局部突出地段上建造建筑物，因为孤山效应的作用，在突出山顶上的地震作用要比坡脚下的地震作用大很多，抗震规范规定地震效应放大系数为1.1～1.6。避免建筑物建造在抗震薄弱地带，如果遇有砂土地基尤其应注意地下水位及地震液化判别，避免地震时地基液化，引起建筑物基础失效引起的整体结构破坏。

3.2 建筑和结构的布置原则

一幢建筑物的动力特性取决于它的建筑布局和结构布置。如果布置合理、简单，地震时就具备良好的抗震性能，各部位受力均匀，不致发生破坏，如果建筑物布局奇特多杂，地震时就容易存在应力集中（在结构薄弱处）使这个部位首先发生破坏，进而影响整栋建筑物的抗震性能。国内外的许多震害实例也表明：凡是房屋体形不规则，平面上凹凸不平，立面上高低错落，地震时破坏都比较严重，房屋体形简单整齐的，震害都比较轻。因此无论对建筑师还是结构师而言，在地震区进行房屋建设的工程设计中，应首先选用简单、均匀、规则、对称的建筑结构，尤其有内折角的建筑抗震性能较差，应尽量避免采用，因为在内折角处容易发生应力集中而使这一部位首先破坏，有资料显示，这样的结构在地震时的破坏率达42%。因此，结构布置应注意以下几个方面：

1）平面形状。有利于抗震的房屋建筑的平面形状应以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形次之；L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面较差。

2）竖向体形。有利于抗震的建筑竖向体形变化要均匀，即为矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，避免刚度突变，因为在刚度突变的位置地震时，就会因剧烈震动或塑性变形集中效应而加重破坏。

历次震害表明，在大底盘上的高层建筑，当底层建筑裙房与主楼相连，没有设缝，体形突变引起刚度突变，使主楼底部接近裙房屋面的楼层变成相对柔弱的楼层，地震时因塑性变形过大，产生过大竖向位移，导致严重破坏。据此，在我们现在设计的楼盘中，由于私家车增多，停车是一个较严重的问题，因此，大量建筑物下建地下停车库，房屋均建在一个大底盘上，这就提醒我们设计者应重视靠近地下室顶板楼层的刚度，应适当加大，否则地震时会因变形过大而破坏。

3）房屋高度与高宽比

一般来讲房屋越高，地震时所受的地震力和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也就愈大，有国外的震害表明，倒塌率高的是10～15层的楼房。因此在抗震设计中，应该重视房屋的高宽比，因为高宽比越大，建筑物越瘦高，在地震力作用下侧移愈大，地震引起的倾覆作用越严重，较大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的压力和拉力比较难于处理。

4）毗邻建筑

在历次地震中都有相邻建筑物碰撞发生破坏的事例，主要是相邻建筑物的缝隙不符合抗震缝的要求，地震时相邻两建筑之间的变形大于缝隙宽度而发生碰撞破坏。因此在设置防震缝的宽度时，应按照抗震设计规范的规定，2010版抗震规范规定最小为100mm，2008版抗震规范最小为70mm。

3.3 结构布置不合理与震害

一般来讲，对称结构在地面平动作用下，仅发生平移振动，各构件的侧移相等，水平地震力按构件刚度分配，各构件受力比较均匀。而非对称结构，如果刚心偏向一面，质心与刚心不重合，在地面平动作用下，也会发生扭转，并且离刚心较远的构件，侧移量比较大。如果变形超过允许时，就会发生破坏，甚至倒塌。

因此我们在结构设计时，当布置有较大抗侧刚度的剪力墙和筒体时，应注意力求在平面上居中对称，抗震墙宜沿房屋周边对称布置，使结构的刚度中心和质量中心基本重合，具有较强的抗扭刚度和较强的抗倾覆能力。

4 建筑结构抗震设计措施

了解了建筑物发生震害的因素，我们在结构设计中就应该着重注意以下几个方面：

1）尽量设计建筑的平立面外形尺寸比较规则的建筑物，抗侧力构件布置合理，质量分布规则，《建筑抗震设计规范》GB5001—2001（2010版）第3.4.1条提出，“建筑设计应符合抗震概念设计的要求明确建筑体型的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论述，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。”并作为强制性条文，要求业主、建筑师和结构工程师必须严格执行，并且详细给出令了不规则建筑方案的基本类型。

2）尽量采取合理的防震缝宽度

由于地震时位于防震缝两侧的建筑物动力特性不一致，变形不同，会产生碰撞而发生破坏，故应尽量调整建筑平面形状和尺寸。在构造上和施工上采取措施尽可能不设缝。如必须设缝时，应按规范及实际情况，留有足够的宽度，防止地震时缝两侧建筑变形不一致发生碰撞破坏。

3）设置多道抗震防线

地震时，当结构的第一道抗震防线破坏后，应有第二道、第三道防线，进而保证建筑物的最低限度安全，避免倒塌，一般情况下，应将抗侧力构件作为第一道抗震防线。因此我们就应该合理地设置抗震墙，不宜用轴压比较大的柱作为第一道防线。

4）结构应具有足够的抗侧刚度

从国内外的震害经验来看，刚度较大的房屋震害较轻，而且地震时变形小，隔墙及围护墙等非结构构件受到保护，破坏也较轻。因此我们在做设计时，应按规范给定的结构变形允许时进行设计，保证结构具有足够的抗侧刚度。

5）结构应有足够的冗余度

对于结构抗震设计来说，防止倒塌是我们的最低目标，也是重要的必须得到保证的要求。结构的冗余度（即超静定次数）越多，吸收消耗地震的能量就越多，就能延长结构变成机动体系的时间或不使结构变成机动体。从这个角度讲，单跨框架的结构超静定次数少，冗余度小，应尽量避免采用。

6）妥善处理非结构构件

非结构构件中由于不是结构主体的一部分，其抗震设计时容易被忽略，但在实际震害中，往往有很多非结构构件与主体连接不好，或强度不足也容易发生破坏，倒塌伤人。因此在设计中应格外注意，首先在计算中就要注意鞭梢效应的影响，地震力放大系数取3，并满足强度和刚度的设计要求。

综上所述，抗震概念设计是结构设计中重要的一环，比起计算来讲更重要，因为抗震概念设计和抗震构造措施是保证结构实现大震不倒、中震可修的重要手段，作为一名结构设计师应充分理解抗震概念设计的重要性，并体现在具体的工程设计中，保证在地震中，人民的生命和财产不受重大损失，这也是每个结构设计师应尽的职责。

［1］ 黄世敏，杨沈.建筑震害与设计对策［M］.北京：中国计划出版社，2009

［2］ GB 50011—2008建筑抗震设计规范［S］

［3］ GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］