建筑抗震概念设计与设计规范的研究

郑州市市政工程勘测设计研究院给水分院 王 冰

中科院建筑设计研究院有限公司 丁 南

建筑抗震概念设计与设计规范的研究

郑州市市政工程勘测设计研究院给水分院 王 冰

中科院建筑设计研究院有限公司 丁 南

地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂，产生地震波，从而在一定范围内引起地面振动的现象。地震是一种随机性振动，它有着难以把握的复杂性和不确定性，目前，人类还不能准确预测，也不能完全把握和测算建筑物在遭遇地震的特性和参数。结构所受地震作用还有许多规律未被认识，在结构内力分布方面由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等各种因素也存在不确定性。由于建筑抗震理论还没完善，单靠计算很难确保房屋具有足够的抗震可靠度，因此着眼于提高建筑总体抗震能力的概念设计不失为一种理性选择。

一、抗震概念设计主要内容

建筑抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程，是一种基于震害经验建立的抗震基本设计原则和思想。在设计时把握好能量输入、房屋形状、结构体系、刚度分布、构件延性等几个方面，从根本上消除结构中的抗震薄弱环节再辅以必要的计算和构造措施提高建筑物抗震性能和足够的抗震可靠度。人们在总结历次大地震灾害经验中认识到：一个合理的抗震设计，在很大程度上取决于良好的“概念设计”。抗震概念设计主要有如下几点。

2.抗震结构体系，应符合以下要求。

（1）具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。

（2）具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

（3）应具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力。

（4）具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

3.抗震结构的各类构件应具有必要的强度和变形能力（或延性）。

4.抗震结构的各类构件之间应具有可靠的连接。

“五个胡人把三四百个居民杀光，走了。他们走了，又有一批胡人来了。直到深夜，周围才安静下来。我想可以下去了，吃点饭，再商议往哪藏。我推了一下旁边的儿子，儿子没动，身体早僵硬了，我又摸女儿的脸，发现她竟被妈妈捂死了，而她妈妈，不知什么时候也被冻死了。

5.抗震结构的支撑系统应能保证地震时结构稳定。

6.非结构构件（围护墙、隔墙、填充墙）要合理设置。

二、建筑抗震设计规范

1.1990年1月开始施行的《建筑抗震设计规范》GBJ11-89（以下简称89规范）中列出了工程设计中必须遵守的规定，来保证“概念设计”在实际工程中的实现。

概念设计在实际工程设计中提高结构抗震能力方面发挥了重要作用。概念设计就是以工程概念为依据从有利于提高结构抗震力的概念上，用符合工程客观规律和本质的方法，对所设计的对象作宏观的控制。

2.1990年以来，结构工程师将概念设计应用于实际工程中取得了很好的效果。同时随着建筑业的发展，建筑的体型、功能的日新月异的变化与要求，我们发现89抗震规范中规定的概念设计内容不够全面。

3.2002年1月实施的GBJ50011-2002《建筑抗震设计规范》对概念设计的要求作了更全面、更符合实际的规定，尤其是增加了“不规则建筑结构的概念设计”，使得概念设计在工程中的应用更具体更明确地落到实处，切实提高了结构的抗震能力。“概念设计”愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。

传统的抗震设计是依靠结构构件延性来耗散地震能量，但任何事都有它的两面性。当结构遭遇地震时结构构件在利用它的延性和自身变形来耗散地震能量的同时构件本身也因过量变形而遭到破坏。新的抗震概念是把结构负担重力之荷载功能与耗散能量的功能分开，让结构主要承担重力竖向荷载，而地震能量由安装到结构上的特殊耗能装置来吸收，这样既能减少结构的侧移又能保护构件免于破坏。基础隔震可以将上部结构的地震作用数值控制在某一限度内可以减少震害，但其理论、材料和元件有待于开发和完善。

4.2008年“5.12”汶川大地震，其震害经验表明，严格按照2001规范进行设计、施工和使用的建筑，在遭遇比当地设防烈度高一度的地震作用下，可以达到在预估的罕遇地震下保障生命安全的抗震设防目标。2010年12月实施的GBJ50011-2010《建筑抗震设计规范》（以下简称新抗震规范）对2001规范进行全面修订，增加了抗震性能化设计的原则性规定。

三、对抗震设计合理化的建议

参照震后的建筑毁坏程度和笔者在震区的结构设计经验，对合理的抗震设计进行总结，主要包括抗震概念设计、结构抗震计算和抗震构造措施3个方面。下面按照新抗震规范的内容归纳为以下几点。

1.选择对建筑抗震有利的场地，宜避开对建筑抗震不利的地段，不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。对于不利地段，结构工程师应提出避开要求，当无法避开时，应采取有效措施，这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原因，诸如地基土的不均匀沉陷、地震引起的地表错动与地裂。

2.建筑的平立面布置应符合概念设计的要求，不应采用严重不规则的方案。不规则的建筑在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。借鉴国际的通行做法，参考外国规范，使我们的设计更加完善合理。

3.结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求。采用哪一种结构材料，什么样的结构体系，经技术经济条件比较综合确定。同时力求结构的延性好、强度与重力比值大、匀质性好、正交各向同性，尽量降低房屋重心，充分发挥材料的强度，并提出了结构两个主轴方向的动力特性（周期和振型）相近的抗震概念。

4.尽可能设置多道抗震防线。地震有一定的持续时间，而且可能多次往复作用，根据地震后倒塌的建筑物的分析，我们知道地震的往复作用使结构遭到严重破坏，而最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。适当处理构件的强弱关系，使其形成多道防线，是增加结构抗震能力的重要措施。例如单一的框架结构，框架就成为唯一的抗侧力构件，那么采用“强柱弱梁”型延性框架，在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，就可以做到利用梁的变形消耗地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。

5.具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。提高结构的抗侧移刚度，往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。要使建筑物在遭受强烈地震时，具有很强的抗倒塌能力，最理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件都具有较高的延性，然而实际工程中很难做到。

有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆作的延性是比较经济有效的办法。例如上刚下柔的框支墙结构，应重点提高转换层以下的各层的构件延性。对于框架和框架筒体，应优先提高柱的延性。在工程设计中另一种提高结构延性的办法是结构承载力无明显降低的前提下，控制构件的破坏形态，减小受压构件的轴压比（同时还应注意适当降低剪压比），提高柱的延性。

6.确保结构的整体性。各构件之间的连接必须可靠，符合下列要求。

（1）构件节点的承载力不应低于其连接构件的承载力，当构件屈服、刚度退化时，节点应保持承载力和刚度不变。

（2）预埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。

（3）装配式的连接应保证结构的整体性，各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作。

（4）结构应具有连续性，注重施工质量，避免施工不当使结构的连续性遭到削弱甚至破坏。

钢筋混凝土结构是常用的结构形式，目前城市中正在建设和拟建的多层、高层建筑物大都是钢筋混凝土结构，地震是一种自然现象，为避免它给人类带来大的灾难，要求结构工程师根据新抗震规范运用好抗震概念设计。做到结构功能与外部条件一致；充分发展先进的设计理念；发挥结构的功能并取得与经济的协调；更好地解决构造处理；利用定量的计算进行抗震分析；用概念来判断计算的合理性。客观事物是多种多样的而且都是在不断地变化，因此对不同的客观事物有不同的概念，随着事物认识的不断发展概念也在不断的发展变化，做好钢筋混凝土结构抗震概念设计，有着深远的意义。