谈建筑师必备的一些抗震设计概念

朱善东，杨　林

(1.浙江郡原地产股份有限公司，浙江 杭州 310013；2.中国联合工程公司，浙江 杭州 310022)



谈建筑师必备的一些抗震设计概念

朱善东1，杨林2

(1.浙江郡原地产股份有限公司，浙江 杭州 310013；2.中国联合工程公司，浙江 杭州 310022)

摘要：介绍了建筑抗震设计基本概念，分析了建筑结构实际震害情况，并总结出建筑结构规则性的主要要求及砌体结构和钢筋混凝土结构抗震设计的一般规定。倡议建筑师要重视学习抗震相关知识并勇于建筑创新。

关键词：抗震设防等级；抗震设防烈度；平面不规则；竖向不规则；抗震性能

我国处于环太平洋地震带和亚欧地震带，是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震强度大、分布广、频率高，损失重。新中国成立60多年来，地震造成的死亡人数接近40万，比其他自然灾害造成死亡人数的总和还多。2008年汶川地震和2010年玉树地震又给了我们沉重的教训。当前正处于“十三五规划”的第一年，中国已经进入全面建设小康社会的新时期，如何在经济和社会发展的同时切实做好抗震防灾工作，最大限度地减轻地震灾害带来的损失，是中国政府高度重视的问题。本文通过抗震的一些基本概念、汶川地震概况及震害情况、建筑结构规则性的主要要求和建筑抗震设计的一般规定四部分内容的介绍，以期使读者能够了解建筑抗震设计的基本理论知识。

1抗震的一些基本概念

1.1地震震级和地震烈度

震级代表地震本身的大小强弱，它由震源发出的地震波能量来决定。而烈度是地震波及范围内建筑物遭受的破坏程度，在同一次地震中是因地而异的，它受着当地各种自然和人为条件的影响。对震级相同的地震来说，如果震源越浅，震中距越短，则烈度一般就越高。同样，当地的地质构造是否稳定，土壤结构是否坚实，对于当地的地震烈度高或低有着直接的关系。对于同一次地震只有一个地震等级，而地震影响范围内的各地却有不同的地震烈度。例如1976年唐山地震，震级为7.8级，震中烈度为11度；受唐山地震的影响，天津市地震烈度为8度，北京市烈度为6度，再远到石家庄、太原等地就只有4～5度了。地震震级和烈度的统计对应关系见表1。

1.2抗震设防烈度和结构抗震等级

抗震设防烈度为按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度[1]。抗震设防烈度必须按国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定。抗震设防烈度是一个地区的设防依据，不能随意提高或降低。其中，抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。

抗震等级为设计部门依据国家有关规定，根据建筑物设防类别、烈度、结构类型和房屋高度，而采用不同抗震等级进行的具体设计。现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级见表2。

表1　震级与烈度统计对应关系(参考)

表2　现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级[1]

1.3抗震设防目标

抗震设防目标分为基本目标和性能化目标两大类。基本目标为当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不须修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏[1]。性能化目标是针对每个工程的具体情况，包括技术和经济的可能条件，设计上提出比基本目标更为具体的、灵活的、明确的、定量的、切实可行的设计目标。限于地震研究的现状，性能化目标应以提高结构和构件的变形能力并同时提高抗震承载力为首选。性能化目标不能低于基本目标。结构构件实现抗震性能要求的承载力参考指标见表3，结构构件实现抗震性能要求的层间位移参考指标见表4。

表3　结构构件实现抗震性能要求的承载力参考指标示例[1]

表4　结构构件实现抗震性能要求的层间位移参考指标示例[1]

2汶川地震概况及震害情况

2.1汶川地震概况

2008年5月12日14点28分，四川省汶川县发生8.0级强烈地震。震源深度为14 km左右。地震释放的能量相当于5 600颗广岛原子弹爆炸所产生的能量，震中烈度高达11度。

此次地震有感范围非常广，震波辐射半径达2 000 km，除新疆、吉林、黑龙江外，北京、上海、台北、香港等其他省、区、市乃至泰国首都曼谷均有震感。

地震造成的破坏范围非常大，受灾最严重的地区是四川省汶川县、北川县、都江堰市、什邡市、绵竹市等地，面积超过10万km2。

重灾区建筑物垮塌的数量和惨状令人触目惊心，地震引发的山体崩塌、滑坡、滚石等地质灾害更是比比皆是。汶川地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震，地震的强度和烈度都超过了1976年的唐山大地震。

2.2汶川地震震害情况

2.2.1砌体结构的主要震害特征

1)不同烈度区砌体结构的震害差异较大；

2)多层砌体结构和底部框架结构中砌体部分整体性差、抗连续倒塌能力低；

3)未进行抗震设计的老旧房屋破坏比经过抗震设防或加固的房屋破坏重；

4)砌体结构的各部位在地震中都会发生震害；

5)砌体与钢筋混凝土混合体系中砖砌体破坏严重。

砌体结构破坏特征见图1。

图1　砌体结构破坏

2.2.2框架结构的主要震害特征

1)柱端弯剪破坏因柱端弯矩、剪力、轴力都较大。上下柱端出现水平裂缝、斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土局部崩落、压碎，柱纵筋外露、压弯或呈灯笼状鼓出。

2)柱身破坏由剪力、扭矩复合作用引起。

3)角柱破坏当房屋发生扭转时，角柱受剪最大；同时又因双向受弯。所以震害比内柱重。

4)短柱破坏通常长细比<4或柱高与短边之比<4时为短柱。短柱主要由柱断面和层高关系、错层和填充墙和门窗洞口的布置形成。短柱刚度大，分配到的地震剪力也大，常发生剪切破坏。

5)梁柱节点破坏因节点核心区箍筋不足或设置不到位，在剪压作用下节点区破坏。见图2。

6)梁端破坏梁端纵筋锚固不足产生的锚固破坏和剪切破坏。

7)结构缝处破坏两侧建筑物互相碰撞，造成墙体、屋面或檐口局部破坏，装修塌落。

图2　梁柱节点破坏

2.2.3楼梯结构的主要震害特征

楼梯作为上下两层楼板间的斜向联系杆件，在地震时振动与整体结构不同步，受到较大拉(压)力。2008年以前我国设计常规，楼梯无须进行抗震设计，承载力设计时一般都未考虑地震时附加的拉(压)力。此次地震中，楼梯梯段板(大多在梯段板的施工缝处)、梯梁(大多在梯梁跨中)、梯柱和平台板均有较严重破坏，且基本上各烈度区均有发生。见图3。

图3　楼梯间破坏

3建筑规则性的主要要求

建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。

规则的建筑方案体现在体型(平面和立面的形状)简单，抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续、均匀，平面布置基本对称。即在平立面、竖向剖面或抗侧力体系上，没有明显的、实质的不连续(突变)。

不规则是相对规则而言，主要包括平面不规则和竖向不规则两种。由于引起建筑不规则的因素还有很多，特别是复杂的建筑体型，很难一一用若干简化的定量指标来划分不规则程度并规定限制范围，所以只能列举一些定量的参考界限来区分不规则、特别不规则和严重不规则。不应采用严重不规则的建筑方案。平面和竖向不规则的主要类型见表5、表6，特别不规则的项目举例见表7，其他高层建筑见表8。

表5　平面不规则的主要类型[2]

表6　竖向不规则的主要类型[2]

表7　特别不规则的项目举例[2]

表8　其他高层建筑[2]

4抗震设计的一般规定

4.1砌体结构抗震设计的一般规定

1)基于多层砌体房屋材料的脆性性质和震害经验，限制其层数和层高是主要的抗震措施。一般情况下，应根据砌体房屋类别及最小抗震墙厚度、烈度和设计基本地震加速度，确定房屋层数和总高度限值。并按规定控制层高：多层砌体承重房屋的层高，不应超过3.6 m，底部框架-抗震墙砌体房屋的底部层高不应超过4.5 m。

2)多层砌体房屋一般可以不做整体弯曲验算，为了保证房屋的稳定性，必须控制其高宽比，最大高宽比不应大于2.5。

3)多层砌体房屋的横向水平地震力主要由横墙承担，横墙间距对房屋倒塌影响很大。为满足楼盖对传递水平地震力所需的刚度要求，抗震横墙的最大间距要加以严格限制。如6度区现浇屋盖多层砌体房屋的抗震横墙间距不应大于15 m。

4)防止因砌体房屋局部部位的失效，而造成整栋结构的破坏甚至倒塌，需对砌体墙段的一些重要局部尺寸的最小尺寸进行限制。如6度、7度区承重窗间墙的最小宽度不宜小于1.0 m。

5)多层砌体房屋应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系，不应采用砌体墙和混凝土墙混合承重的结构体系。纵横向砌体抗震墙的布置应符合相关要求。并注意抗震缝、楼梯间和转角窗等较重要影响抗震性能环节的设置。

4.2混凝土结构的抗震设计的一般规定

1)建筑高度对于抗震设计具有举足轻重的作用。从安全和经济诸方面综合考虑，对采用钢筋混凝土材料的高层建筑适用最大高度应进行限制。现浇钢筋混凝土房屋的最大适用高度见表9。超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。

表9　现浇钢筋混凝土房屋的最大适用高度[1]　m

2)钢筋混凝土房屋应根据设防类别、结构类型、烈度和房屋高度四个因素确定抗震等级。特别注意设置少量抗震墙的框架结构、主群楼相连的建筑、甲乙类建筑和地下室的抗震等级的确定。每一个抗震等级对应了相应的计算和构造措施，体现了对不同抗震设防类别、不同结构类型、不同烈度、同一烈度但不同高度的钢筋混凝土房屋结构延性要求的不同，以及同一种构件在不同结构类型中的延性要求的不同。

3)楼、屋盖平面内的变形，将影响楼层水平地震剪力在各抗侧力构件之间的分配。为使楼、屋盖具有传递水平地震剪力的刚度，抗震墙之间楼屋盖的长宽比不宜超过相关规定限值要求。框架和抗震墙均应双向设置。抗震墙是主要抗侧力构件，抗震墙的平面布置要有利于控制平面扭转，竖向布置应连续，防止刚度和承载力突变。同时墙支长度、开洞位置和大小、底部加强部位的范围和边缘构件的设计要满足相关规定的要求。

4)由于在强烈地震下相邻结构仍可能局部碰撞而损坏，故应合理选取抗震缝的位置且缝宽的最小尺寸应满足相关规定限值要求。

5)砌体填充墙虽不是直接受力的结构构件，但在震害中破坏表现普遍且明显。不仅要重视砌体填充墙本身的材料要求及其与主体结构的连接要求(特别是楼梯间和人流通道的填充墙)，同时要避免由其形成的薄弱层和短肢等情况。

5结语

本文通过汶川震害情况结合国家规范规定对建筑抗震设计理论中建筑师常涉及部分作了详细阐述。其旨在倡议建筑师能够重视学习抗震知识相关内容并运用到建筑创作中去；并鼓励建筑师们有目的地建筑创新，促进建筑抗震技术和理论的发展。

参 考 文 献

[1]中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]国家标准《建筑抗震设计规范》管理组.建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)统一培训教材[M].北京：地震出版社,2010.

收稿日期：2016-02-22

作者简介：朱善东(1980—)，男，浙江温州人，高级工程师，从事建筑结构分析与优化工作。

中图分类号：TU352.1+1

文献标志码：A

文章编号：1008-3707(2016)05-0006-05

Discussion on the Essential Earthquake ResistantDesign Concepts for Architects

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