泛议抗震设计的复杂性

矫立明，彭 秋

(1.牡丹江市水利规划设计研究院，黑龙江牡丹江157000;2.黑龙江农垦水利工程建设监理咨询有限公司，哈尔滨150046)

1 中国属地震频发国家

我国是地震频发的国家，最近3 a就发生了两次大级别地震，一次是2008年5月12日14时28分发生的四川汶川、北川等区域的8级强震，震中位置为四川省汶川县映秀镇，最大烈度11度;一次是2010年4月14日晨青海省玉树县发生的7.1级地震，震中就在玉树县城附近。这两次地震造成的人员伤亡与财产损失都是世界少有的。

我国历史上不少地域，包括广大农村均发生过不同频率的地震［1］，见表1。

表1 中国各行政单元发生不同次数地震的单元个数(公元前2300至公元2000年，Ms≥5)

根据上述中国地震灾害致灾因素分析，我国农村乡镇是受地震灾害影响最严重的地区，农村地震灾害危险远大于城市市区，其中西藏、

新疆、云南、青海、甘肃、四川等西部省区地震发生最为频繁这些地省的大部分县域都发生过破坏性地震，我国历史上7级以上强震也主要发生在这几个省区。

2 房屋建筑是地震灾害的主要承灾体

根据自然灾害系统现状，致灾因子强度和承灾体的脆弱性共同决定了灾情的大小。建筑物设施是地震灾害系统中最主要的承灾体，由于城市中人口、财物集中，建筑物密度大，城市抗震减灾一直是地震灾害研究的重要方面。有人不断的提出，要使地震区房屋等建筑达到防御8级以上地震等等，重要水工建筑物也要特别注重地震烈度的确定与对诱发地震的评定。殊不知，抗震设计有许多想象不到的复杂性。

3 抗震设计的复杂性［2］

3.1 地面运动的复杂性

地面运动的复杂性表现为多向性与随机性。所谓多向性，指地面运动是复杂的空间运动，可以分解为6个分量，即3个平动分量和3个转动分量。但目前还没有转动分量的实测资料，故在抗震计算设计中无法考虑这个因素。

至于地面运动的随机性，是指它的发生在时间、空间及其随时间的变化规律等都是不能预先确定的或者确知的，而且还是一个多维非平稳随机函数。

3.2 地震烈度的复杂性

地震烈度的复杂性表现为随机性与模糊性。它的随机性是指地震的强烈程度，它对地表及建筑物的破坏程度是不能预先确知的;它的模糊性是指评价地震烈度的各种指标是模糊量。如所知，我国抗震规范中的烈度是离散量，相差1度将导致地震作用相差1倍。可见正确评定地震烈度以及建立地震烈度复杂性的概念是十分重要的。

3.3 震中距影响的复杂性

如所知，一次地震只有一个震级，而烈度则随地区而异，可以有若干个，这主要取决于震中距。一般说来，震中距越大，烈度则越低，即烈度随震中距的增大而衰减。

GBJ11－89区分了近震与远震。大量地震记录及震害调查表明，同一烈度的近震与远震的地面运动及其对建筑物的破坏可能有很大的差异。一般说来，远震的地面运动的卓越周期条长一些，对柔性建筑物的破坏作用要大一些，甚至可能要大1倍或更。

3.4 地基土影响的复杂性

地基土对结构地震反应的影响是复杂的，包括:

1)地基失效。

2)由基岩输入的地震波通过土层传播，可以使输入波的振幅及频率特性有很大改变，从而导致结构基底剪力的差异可达数倍之多。

3)地基变形使得地基各点的运动产生差异，这对平面尺寸很大的结构来说，是一个不容忽视的因素。

4)地基变形产生土——结构体系的相互作用，甚至邻近结构的相互作用。当场地土很软时，这些作用有显著的影响。

5)考虑短期突然加载对地基承载能力的影响，往往对地耐力的提高作出人为的估计(一般提高30% ～50%)，也给抗震设计带来差异。

3.5 结构体系的复杂性

主要包括:

1)结构是一个复杂的空间体系，特别是还有很多非结构构件的影响，如非承重墙等。在建立计算简图时往往都不能如实考虑，或者还无法考虑。

2)结构的非线性。由于设计中所考虑的强烈地震是多年一遇，甚至是百年一遇的一种特殊荷载，它的强度很大，而持续时间又很短，只不过几秒，几十秒或几分种，因而允许结构在遭受基本烈度的地震(第二水准烈度)时，发生塑性变形，而在遭受罕见地震(第三水准烈度)时不倒塌。

考虑结构塑性变形的设计要比按强度设计的方法复杂得多。

3)结构各部件间的节点或连接质量的好坏，往往对结构是否破坏起决定性作用，但在计算中有些却得不到反映，或者难以确切地反映，甚至目前还无法反映。

4)材料的影响。混凝土的弹性模量，随着时间的增长可比施工刚完成时降低50%，在应变增大时还可能继续降低。

钢筋混凝土的惯性矩一般按毛截面计算，这是不符合实际情况的。其次，竖向及侧向荷载的变化，都将影响中和轴的位置。柱配筋的不同，可使周期相差达40%左右。

5)阻尼变化的影响。钢筋混凝土结构的阻尼比，一般为1% ～3%，与结构类型有关。一般说来，钢筋混凝土烟囱类的高耸结构的阻尼要小一些，通常为1%左右;钢筋混凝土空框架结构的阻尼比为2%左右;而框架建筑物的阻尼比在3%左右。但当受震松动后，其阻尼比可增加数倍，以以致10余倍。

6)基础差异沉降的影响。按一般框架设计的框架结构，若地震剪力为0.1W(即建筑物重量的10%)，基础差异沉降为1 cm时，可能造成框架在竖向及地震荷载组合后的弯矩达70%的误差，而此误差在设计中一般未予考虑。

从上述可以看出，由于某些因素的随机性和可能的误差幅度，可以导致计算上的差异达数倍之多，因而在实际工程设计中，对某一局部作过分的精细计算是没有多大意义的。

综上，在重要水利枢纽工程及震区房屋要真正做到防御设计级别的地震灾害是极其复杂和难于达到万无一失的。

［1］王瑛，史培军，王静爱，中国农村地震灾害特点及减灾对策［J］.自然灾害学报，2005，14(1):82 －89.

［2］曹宏，李秋胜，李桂青.工程结构抗震［M］，北京:气象出版社，1993.