对抗震设计中结构体系的浅析

(太原市建工兴达工程有限公司，山西 太原 030001)

引言

随着全球进入新一轮的地震活跃期，地震对人类的影响越来越大。我国是一个多地震的国家，抗震设防的市镇涵盖85%以上。历次地震证明，地震烈度有很大的不确定性，抗震设计还处于摸索阶段，地震理论还有待完善，当然地震也是对结构抗震设防的最好检验。所以，在设计中应抓大放小，重概念轻精度，先从结构体系着手。

1 影响结构体系的因素

影响结构体系的因素很多，如抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、地基、结构材料和施工等，还应考虑技术、经济和使用条件等。结构体系问题是结构抗震设计的关键，即要解决承载力、刚度和延性问题。

(1)对于抗震结构，除了要承担常规荷载外，还要承担地震动作用，其材料强度和刚度不是越大越好，如抗弯强度过高不利于抗剪，刚度过大也会加大结构的地震作用，均需要控制在合理的范围内。

(2)结构体系由各类构件相互连接组成，抗震结构构件应具有必要的承载力、合理的刚度、良好的延性、可靠的连接，使这几个因素之间合理均衡。

(3)结构构件应具有良好的延性，即变形能力和耗能能力。延性可以增加结构的抗震潜力，增强结构的抗倒塌能力。结构抗震设计的本质就是结构承载力、刚度和延性的合理把握。

2 结构体系应满足的要求

2.1 强调概念设计，明确传力途径

在抗震结构设计中，规范特别强调了概念设计的重要性。对结构计算简图的分析把握，例如明确地震作用的传力路径是什么，是如何从上部结构传至下部结构及地基基础的等，这是结构概念设计的重要内容之一，而使用计算软件是无法替代人为的概念设计工作的。

抗震结构体系要求受力明确、传力合理且传力路线不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现，且对提高结构的抗震性能有利，是结构选型与布置结构抗侧力体系时应该首先考虑的因素之一。一般采用的是多遇地震作用下的弹性计算方法，通过抗震措施来实现设防烈度地震的要求，通过控制结构的弹塑性位移来实现“大震不倒”的设防目标。这些基本的抗震设防要求，对概念清晰、传力直接的规则结构及不规则程度较轻的一般性不规则结构具有较好的适应性，也能较准确地估计设防烈度地震及罕遇地震作用的影响。而对于特别不规则结构的适应性差，对设防烈度地震及罕遇地震作用的影响也将难以准确估计。

2.2 确保重力荷载承载力，力求强度、刚度和变形能力的统一

对地震倒塌宏观现象的研究表明，房屋倒塌的最直接原因是结构因破坏而丧失承受重力荷载的能力。因此，任何情况下都应首先确保结构对重力荷载的承载力。结构的抗震能力需要强度、刚度和变形能力的统一，即抗震结构体系应具备必要的强度和良好的变形耗能能力，仅有强度而缺乏足够的延性(例如不设置圈梁构造柱的砌体结构等)时，在强烈地震下很容易破坏；虽有较好的延性而强度不足(如纯框架结构等)时，在强烈地震下必然产生很大的变形、严重破坏甚至倒塌。

2.3 设置多道抗震防线

震害调查表明，破坏性强震具有持续时间长(短则几秒，长则几十秒甚至更长时间)、脉冲往复次数多(对房屋造成累计破坏)等特点。单一结构体系的房屋(仅1道防线)一旦破坏，接踵而来的持续地震动将会造成房屋的倒塌。当房屋采用多道防线(两道或3道)时，第1道防线破坏后，后续防线能接替抵抗后续的地震冲击，从而保证房屋最低限度的安全，避免房屋的倒塌。因此，抗震房屋设置多道防线是必须的，也是“大震不倒”的基本要求。

一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。震害调查表明，房屋倒塌源自抗侧力构件丧失承受竖向荷载的能力(尤其是受“大震”下的P-A效应的影响)。因此，在选择第1道防线的构件时，应适当降低第1道防线中结构构件的竖向轴压力，使其即使有损坏也不会对整个结构的竖向承载力有较大的影响。在实际工程中，优先采用不负担或少负担重力荷载的竖向支撑、砌体填充墙，或者选用轴压比较小的抗震墙。但应注意的是，抗震墙的轴压不是越小越好，应使墙肢保持适当的轴压水平(例如0.1～0.2)，以提高墙肢的受剪承载力并增加墙肢的延性，同时避免在“大震”下出现墙肢受拉情况，以免造成刚度和承载力的突降。

在结构设计中，应避免抗震墙只承受自重的情况，例如采用楼梯间外墙等、抗震墙筒体等作为第1道防线的抗侧力构件，而不采用轴压比很大的框架柱作为第1道防线的抗侧力构件。举例如下：

(1)框架-抗震墙体系由延性框架和抗震墙组成，在框架-抗震结构中，抗震墙由于其侧向刚度大，成为抗震的第1道防线，框架则是抗震的第2道防线。而在抗震墙很少的框架结构中，由于抗震墙的数量少，因此其不能成为1道防线，该结构体系也就不属于多道防线的结构体系。

(2)双肢墙或多肢墙抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成，大震时连梁先屈服并吸收大量的地震能量，既能传递弯矩和剪力，又能对墙肢有一定的约束作用。

(3)框架-筒体体系由延性框架和筒体两个系统组成。

(4)单层厂房的纵向体系中，柱间支撑是第1道防线，柱是第2道防线，并通过柱间支撑的屈服耗能来保证结构的安全。

2.4 增加内外部赘余度，减少负担重力荷载的构件

抗震结构体系应有最大可能数量的内外部赘余度(即超静定的次数要多)，有意识地建立起一系列分布的屈服区，如耗能构件、连梁、偏心支撑、框架结构中的砌体填充墙、双连梁之间设置的砌体填充墙等，以使结构能吸收和消耗大量的地震能量，而这些有意设定的屈服区一旦破坏也易于修复。震害调查还表明，地震倒塌是由于结构破坏而丧失竖向承载的能力，因此，第1道防线应优先选择不负担或尽量少负担重力荷载的构件(如支撑或填充墙)，或稳定性较好的结构构件(如轴压比较小的抗震墙筒体等)；不宜采用轴压比很大的框架柱或承受较大竖向荷载的构件兼作第1道防线的抗侧力构件。

2.5 避免刚度突变

楼层侧向刚度的突然变大或突然变小均属于刚度突变，刚度突变是由于建筑体型复杂或主要抗侧力结构体系在竖向布置的不连续造成的。刚度突变的部位将产生应力集中和变形集中(或塑性变形集中)现象，应力集中的部位如果不进行适当的加强，将先于相邻部位进入塑性变形阶段，造成塑性变形集中，最终导致严重破坏甚至倒塌。刚度突变部位往往也是结构层屈服承载力的突变部位，刚度突变属于结构的软弱层并与薄弱层密切相关，因此，刚度突变部位经常是薄弱层的重要表征之一。

2.6 控制抗震薄弱层

薄弱层问题(只存在于第3水准即“大震”设计中)是结构抗震设计应重点关注的问题。薄弱部位也是确保“大震不倒”的关键部位，应特别注意其抗震承载力及地震时的弹塑性变形问题。

结构在强烈地震下不存在强度安全储备，这就是地震作用与荷载的最大区别，构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值分析)是判断薄弱层(部位)的基础。应使楼层(部位)的设计承载力与设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对均匀的变化。但需注意的是，弹性计算结果与弹塑性分析结果之间往往存在较大的差异，一般情况下，弹性计算结果的规律性不能等同于结构弹塑性的实际状态，只有当结构较为规则或者结构不规则程度较轻时，结构弹性分析才与弹塑性分析之间有一定的相似性。对于不规则程度较高的结构、复杂结构等，应进行专门的弹塑性分析，一旦楼层(部位)的设计承载力与设计计算的弹性受力之比有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形集中。

要防止在局部上加强而忽视对整个结构各部位刚度、强度的协调。要控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力而又不致使薄弱层位置发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。

2.7 调控动力特性

结构两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近，一般情况下指相差宜在20%以内，强调的是两个方向的均匀问题，对于横墙很多、纵墙较少(或横墙较少、纵墙很多)的建筑应特别予以重视。这些建筑在强烈地震时，往往会由于某一方向太弱而率先破坏，从而引起整个建筑的连续倒塌。这里要求的是两个方向动力特性相近，而不是刻意要求两个方向完全一致，因为两个主轴方向动力特性不相近的房屋，其两向的平面尺度一般相差较大(如长矩形平面等)，如果过分强调两向一致必然会引起其他性能的过大差异，例如抗震墙截面面积的较大差异，加大两向受剪承载力的差异等。另外，当两个相邻振型周期过于接近时，振型之间的藕联明显，如周期比为0.85时，藕联系数约为0.27；而当周期比为0.9时，藕联系数则约为0.5。因此，寻求的是动力特性与其他抗震性能的均衡、协调。

3 结语

概念设计是影响结构抗震性能的最重要因素。抗震结构体系应有明确的计算简图和地震作用传递途径。设置多道抗震防线、选择合理的刚度和承载力分布，避免刚度突变及薄弱层的形成，是保证结构体系安全的有效措施。