史飛，劉楊，張軍

(西南石油大學建筑工程學院，四川成都610500)

1 概念設(shè)計概述

概念是在頭腦中形成的反映對象本質(zhì)屬性的思維形式，它是將所感知事物的共同本質(zhì)特點抽象出來加以概括而形成，概念設(shè)計是伴隨設(shè)計的產(chǎn)生而產(chǎn)生的。如果僅僅按照規(guī)范和一般的抗震程序來進行設(shè)計，要使建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計得以符合“技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全使用”的原則是困難的。因此，我們必須把重點放在如何針對不同的建筑空間及環(huán)境要求，優(yōu)化選擇結(jié)構(gòu)的整體方案上。這就是我們所要說的建筑結(jié)構(gòu)抗震方案設(shè)計中的“概念設(shè)計”

所謂的概念設(shè)計一般是指不經(jīng)過計算，尤其在難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)關(guān)系與分體系之間的力學關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、實驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從總體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念設(shè)計的近似估算方法，可以在建筑抗震設(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇。這種方法雖有一定誤差，但它概念清楚、定性準確、手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案和確定主要構(gòu)件的基本尺寸大小。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。在建筑結(jié)構(gòu)方案抗震設(shè)計中運用“概念設(shè)計”的思想，要求結(jié)構(gòu)工程師不僅僅能精確地計算分析一個已經(jīng)給定的分體系或構(gòu)件，更重要的是要能夠?qū)Y(jié)構(gòu)總體系的承載能力和性能，以及總體系與各基本分體系(或構(gòu)件)之間的力學關(guān)系有透徹的認識，從而運用整體概念去考慮總體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2 概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算關(guān)系

新修訂的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2001)也重視概念設(shè)計。因為隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展，建筑物隨著人口的增加越建越密集，物資財富的積累也越來越多。而且，我們的房子越做越大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，如果發(fā)生地震災害，對我們所造成的損失也會越來越大。然而隨著計算機在設(shè)計中越來越廣泛地應用，有些設(shè)計人員越來越迷信計算機的計算結(jié)果，而不注重結(jié)構(gòu)的整體分析，好象計算結(jié)果滿足要求了，這個建筑物就安全了，如果不滿足，就加大配筋和斷面，結(jié)果梁越做越大，柱越做越肥，這樣做的結(jié)果，不僅造成很大的浪費，而且簡單地加大單個構(gòu)件往往改變了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分配，不能確保結(jié)構(gòu)安全。這種教訓是很多的，比如在1976年唐山地震中，天津第二毛紡廠三層的框架廠房因偏重于局部構(gòu)部件的加固，沒有重視對結(jié)構(gòu)總體抗震性能的分析，造成不合理的加固使抗震薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移而倒塌。因此，一個只會計算而不會分析的結(jié)構(gòu)工程師不是一個稱職的結(jié)構(gòu)工程師，只迷信計算結(jié)果而不注重概念設(shè)計，甚至有可能把能夠避免或能減少損失的自然災害變成實際人為的災害。地震災害是比較常見的自然災害，也是破壞力很大的自然災害，設(shè)計什么樣的結(jié)構(gòu)最利于抗震，作為一個結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應該有一個清醒的概念。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的主要思想

概括地說，一個有利于抗震的建筑，首先必須有一個有利于抗震的建筑場地，它的建筑結(jié)構(gòu)應該具有盡可能規(guī)則的平立面;結(jié)構(gòu)體系具有合理而不間斷的傳力途徑;同時應確保結(jié)構(gòu)的整體性，受到地震作用的時候構(gòu)件能夠共同工作，按設(shè)計的要求達到極限狀態(tài);構(gòu)件的破壞具有一定的先后順序，必要的時候犧牲次要的結(jié)構(gòu)來消耗地震能量，以保護主要結(jié)構(gòu)，使人的生命和財產(chǎn)的損失降低到最小的程度。

3.1 避開不利地質(zhì)區(qū)域

我們都知道，萬丈高樓從地起。建筑物能否有效地抵抗地震破壞，首先需要有一個堅實的地基基礎(chǔ)，因此，我們在選擇建筑場地的時候，應根據(jù)工程需要，掌握地震活動情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對抗震有利、不利和危險地段作出綜合評價。對不利地段，應提出避開要求;當無法避開時應采取有效措施;不應在危險地段建造甲、乙、丙類建筑。地震除了直接造成結(jié)構(gòu)破壞以外，還可能引起地表的錯動與地裂，地基土的不均勻沉降，滑坡和粉、砂土液化等，造成建筑物的間接破壞。一個好的建筑場地，不僅能使建筑物有效地抵抗地震的破壞，而且還能減少投資，降低成本。

3.2 協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)與建筑設(shè)計

抗震概念設(shè)計不是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員所能完全包辦的，建筑設(shè)計師應具備一定的抗震知識。但由于專業(yè)分工不同，結(jié)構(gòu)工程師往往會比建筑師更注重分析地震作用，所以，結(jié)構(gòu)工程師應利用自己所掌握的知識，協(xié)助建筑方案設(shè)計人員對建筑物平立面進行合理的調(diào)整，使之既功能齊全，美觀大方，符合建筑設(shè)計的要求，又能使結(jié)構(gòu)盡量規(guī)則，符合抗震設(shè)計的要求。具體地說，就是要求建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面宜規(guī)則、對稱，并具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。

3.3 建筑平、立面外形選擇

歷次震害調(diào)查及力學分析表明，建筑平、立面外形尺寸突變處、質(zhì)量分布突變處、豎向抗側(cè)力構(gòu)件截面尺寸和材料強度突變處、由于應力集中都容易產(chǎn)生比較嚴重的震害，而剛度中心與質(zhì)量中心的偏離容易引起建筑物的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生比較嚴重的震害;整體性差的建筑物，如抗側(cè)力結(jié)構(gòu)水平或豎向不連續(xù)(單跨或不連續(xù)框架、豎向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換)、抗側(cè)力構(gòu)件錯位(包括混凝土框架、混凝土抗震墻、砌體結(jié)構(gòu)抗震橫墻)，由于贅余度偏少或傳力路線不順暢，抗震性能就會大幅度降低。對于不規(guī)則的建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要進行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整，并應對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。對于嚴重不規(guī)則的方案，不應采用。如果一個建筑物因為方案設(shè)計不合理而造成不必要的浪費，甚至形成安全隱患，那么，這個設(shè)計就是失敗的，因此，建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性對于抗震是相當重要的。

3.4 結(jié)構(gòu)體系選擇

建筑結(jié)構(gòu)確定以后，還應該合理地選擇結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟和使用條件綜合比較確定結(jié)構(gòu)體系。新的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011－2001)要求結(jié)構(gòu)體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途經(jīng)，使設(shè)計人員更容易掌握和控制結(jié)構(gòu)所受的地震作用，更容易發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果的錯誤;在抗震設(shè)計的過程中應正確分析力的傳遞途徑，合理的分配調(diào)整內(nèi)力，加強容易遭受地震破壞的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震能力，避免部分結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)破壞而導致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力;應具備必要的抗震承載能力，良好的變形能力和消耗抗震能量的能力，這樣利用結(jié)構(gòu)的變形消耗掉部分地震的能量，可以大大減輕地震作用對結(jié)構(gòu)的破壞;宜有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。薄弱部位是抗震能力最弱的地方，在設(shè)計過程中，應使該部位的實際承載力和設(shè)計計算的彈性承載力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，避免由于內(nèi)力重分布導致塑性變形的集中，同時還要防止加強局部而忽視整個結(jié)構(gòu)的剛度和強度的協(xié)調(diào)，使它有足夠的變形能力又不發(fā)生薄弱部位的轉(zhuǎn)移;宜有多道抗震防線。在很多情況下，由于地震作用的不確定性和反復性，地震破壞是不可避免的，適當處理構(gòu)件的強弱關(guān)系，使其形成多道防線，是增加結(jié)構(gòu)抗震能力的重要措施。

以著名美籍華裔設(shè)計師林同炎設(shè)計的尼加拉瓜首都馬那瓜美洲銀行大樓為例，該樓18層、61 m高。由于采取了多道防線，剛?cè)峤Y(jié)合的概念設(shè)計思想，通過在總體系中預設(shè)薄弱環(huán)節(jié)作為強烈地震作用下可被破壞但不影響整體安全的耗能構(gòu)件保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。在1972年馬那瓜強烈地震作用下，該樓僅出現(xiàn)少量裂縫，經(jīng)過簡單維修加固后至今仍可使用，而周圍大量建筑物倒塌，5 000多人死亡。美洲銀行大樓在馬那瓜地震中的表現(xiàn)充分證實了概念設(shè)計思想的創(chuàng)造性和前瞻性。說明以承載力、剛度和延性為主導目標，在罕遇的強烈地震作用下，通過充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性與耗能能力，仍可使結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力。

概念設(shè)計不同于簡單的結(jié)構(gòu)計算，不可能死套規(guī)范，但它對整個建筑物的抗震性能起著決定性的作用，進而會影響工程的造價和施工的難易程度，因此我們必須重視它。當然，強調(diào)概念設(shè)計的重要并不是結(jié)構(gòu)計算就不重要，計算結(jié)果的滿足是結(jié)構(gòu)安全的保證。我們強調(diào)概念設(shè)計，是為了讓建筑物能更合理、更有效地抵抗地震作用，用最低的成本，設(shè)計出更為安全的建筑。

4 建筑物抗震的新技術(shù)

4.1 隔震技術(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)中應用隔震技術(shù)是國際上熱門的工程抗震新技術(shù)。它通過把隔震消能裝置(如橡膠隔震墊)安放在結(jié)構(gòu)物底部和基礎(chǔ)(或底部柱頂)之間，把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)“隔開”。這樣，改變了結(jié)構(gòu)的動力特性和動力作用，明顯地減輕結(jié)構(gòu)物的地震反應，達到“以柔克剛”的效果。國內(nèi)外大量的試驗和工程實踐證明，隔震體系一般可使結(jié)構(gòu)水平地震加速度反應下降60%左右，從而消除或有效減輕結(jié)構(gòu)的地震損壞，提高建筑物及其內(nèi)部人員的安全性。隔震體系具有很大的垂直承載力(50～2 000 t)及很大的垂直壓縮剛度，而其水平變形剛度較小(0.25～1.8 kN/mm)，水平極限變位值較大(10～50 cm)，它具有足夠大的初始剛度，以抵抗風荷載和輕微地震，當強地震發(fā)生時，又能自由柔性滑動，而變形過大時，剛度回升，具有保護和限位作用，鋼板夾層橡膠隔震墊具有較大的復位能力，在多次地震中自動瞬時復位。同時，它耐久性能好，一般使用壽命可在70年以上，遠遠超過一般民用建筑物50年使用壽命的要求。1994年1月17日，美國洛杉磯大地震中，該市相距不遠的兩個醫(yī)院，一個是隔震的，地震時醫(yī)師護士照常工作;另一個是不隔震的，損壞厲害，一直無法恢復工作。1995年1月17日，日本神戶大地震，該市的西部郵政大樓和松村研究所大樓等隔震房屋經(jīng)受了地震的考驗，房屋結(jié)構(gòu)安全完好，儀器、設(shè)備、裝修等絲毫無損。根據(jù)其特性，一般來說隔震技術(shù)主要適用于較重要的低層和多層建筑，如醫(yī)院、學校、商場、科研機構(gòu)以及重要的指揮職能單位。

4.2 消能減震技術(shù)

建筑結(jié)構(gòu)的消能減震技術(shù)方法是指在結(jié)構(gòu)的某些部位(如支撐、剪力墻、節(jié)點、連接縫或連接件等)設(shè)置消能阻尼裝置或元件，通過消能裝置產(chǎn)生摩擦非線性滯回變形耗能來耗散或吸收地震能量以減小主體結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震反應，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，以達到減震抗震的目的。這種方法主要用于高層或超高層建筑。隔震和消能減震技術(shù)目前在日本、美國已有了一定數(shù)量的應用，并在震害中有較好的表現(xiàn)。我國從九十年代開始，也以試點的方式在一些工程中應用了這些技術(shù)并取得了一些好的經(jīng)驗。新的抗震設(shè)計規(guī)范已給出了隔震和消能減震技術(shù)工程應用的指導性意見，標志著這些新技術(shù)已進入實用性階段。

由于隔震和消能減震體系能使建筑上部結(jié)構(gòu)承受的地震作用大幅度降低，使上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點的斷面、配筋減小，構(gòu)造及施工簡單，從而可節(jié)省造價。

5 總結(jié)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和抗震技術(shù)也提出了更高的要求。發(fā)展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質(zhì)、環(huán)保建材的研究與應用，使建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟是當務(wù)之急。運用概念設(shè)計方法，可以在建筑抗震設(shè)計的方案階段就迅速有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，從而使方案概念清晰和定性正確，避免在后期設(shè)計階段出現(xiàn)一些不必要的繁瑣運算，具有良好的經(jīng)濟性和可靠性。

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