江云紅

(江蘇工業(yè)學(xué)院，江蘇常州213016)

地震作用影響因素極為復(fù)雜，它是一種隨機的、尚不能準(zhǔn)確預(yù)見和準(zhǔn)確計算的外部作用，目前規(guī)范給出的計算方法還是一種半經(jīng)驗半理論的方法，要進(jìn)行精確的抗震計算還有一定的困難，因此人們在工程實踐中提出了“建筑抗震概念設(shè)計”。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)該是綜合概念設(shè)計、計算和結(jié)構(gòu)措施等完整的一系列設(shè)計。

1 建筑的抗震概念設(shè)計

所謂“建筑抗震概念設(shè)計”是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，依此進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。掌握了抗震概念設(shè)計，有助于明確抗震設(shè)計思想，靈活、恰當(dāng)?shù)剡\用抗震設(shè)計原則，使設(shè)計人員不至于陷入盲目的計算工作，從而做到比較合理地進(jìn)行抗震設(shè)計。

2 高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更應(yīng)重視概念設(shè)計

在設(shè)計中，雖然分析計算是必須的，也是設(shè)計的重要依據(jù)，但僅靠此往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，因此必須非常重視概念設(shè)計。從某種意義上講，概念設(shè)計甚至比分析計算更為重要，因為合理的結(jié)構(gòu)方案是安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計的基本保證。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，更應(yīng)重視概念設(shè)計。這是因為高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、發(fā)生地震時震動的不確定性、人們對地震時結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)識的局限性與模糊性、高層結(jié)構(gòu)計算尤其是抗震分析計算的精確性、材料性能與施工安裝時的變異性，結(jié)構(gòu)計算模型的假定與地震時的實際工作有很大的差異以及其他不可預(yù)測的因素，致使設(shè)計計算結(jié)果(尤其是經(jīng)過實用簡化后的計算結(jié)果)與實際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無法定量計算出來。

3 高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的基本內(nèi)容

3.1 首先應(yīng)重視高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的形狀設(shè)計方案。合理的建筑布置在抗震設(shè)計中是頭等重要的，提倡平、立面簡單對稱，因為震害表明，此種類型建筑在地震時較不容易破壞，而且容易估計出其地震反應(yīng)，易于采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理?！敖ㄖY(jié)構(gòu)的規(guī)則性”包含了對建筑的平立面外形尺寸，抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)量分布，承載力分布等諸多因素的綜合要求?！耙?guī)則建筑”體現(xiàn)在體形(平面和立面的形狀)簡單;抗側(cè)力體系的剛度承載力上下變化連續(xù)、均勻;平面布置基本對稱。

3.2 結(jié)構(gòu)剛度、承載力和延性要有合理的匹配

當(dāng)結(jié)構(gòu)具有較高的抗力時，其總體延性的要求可有所降低;反之，較低的抗力需要較高的延性要求相配合。對結(jié)構(gòu)提出了“綜合抗震能力”的概念，就是要綜合考慮整個結(jié)構(gòu)的承載力和構(gòu)造等因素，來衡量結(jié)構(gòu)具有的抵抗地震作用的能力。地震時建筑物所受地震作用的大小與其動力特性密切相關(guān)，與其具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性密切相關(guān)。但是，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，往往是以提高工程造價及降低結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)為代價的。要使建筑物具有很強的抗倒塌能力，最理想的是使結(jié)構(gòu)中的所有構(gòu)件都具有較高的延性，然而實際工程中很難做到。有選擇地提高結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件以及關(guān)鍵桿件的延性是比較經(jīng)濟(jì)有效的辦法。因此，在確定建筑結(jié)構(gòu)體系時，需要在結(jié)構(gòu)剛度、承載力及延性之間尋找一種較好的匹配關(guān)系。

3.3 設(shè)計多道設(shè)防結(jié)構(gòu)

3.3.1 超靜定結(jié)構(gòu)

靜定結(jié)構(gòu)是只有一個自由度的結(jié)構(gòu)，在地震中只要有一個節(jié)點破壞或一個塑性鉸出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)就會倒塌?？拐鸾Y(jié)構(gòu)必須做成超靜定結(jié)構(gòu)，因為超靜定結(jié)構(gòu)允許有多個屈服點或破壞點。將這個概念引申，抗震結(jié)構(gòu)不僅是要設(shè)計成超靜定結(jié)構(gòu)，還應(yīng)該做成具有多道設(shè)防的結(jié)構(gòu)。第一道設(shè)防結(jié)構(gòu)中的某一部分屈服或破壞只會使結(jié)構(gòu)減少一些超靜定次數(shù)。同時要注意分析并控制結(jié)構(gòu)的屈曲或破壞部位，控制出鉸次序及破壞過程。有些部位允許屈服或允許破壞，而有些部位則只允許屈服，不允許破壞，甚至有些部位不允許屈服。例如，帶連梁的剪力墻中，連梁應(yīng)當(dāng)作為第一道設(shè)防，連梁先屈曲或破壞都不會影響墻肢獨立抵抗地震力。

3.3.2 雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系

雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系是可能實現(xiàn)多道設(shè)防結(jié)構(gòu)的一種類型，而且雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的抗震性能較好。這里提出的雙重抗側(cè)力體系的特點是，由兩種變形和受力性能不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成，每個抗側(cè)力體系都有足夠的剛度和承載力，可以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板連接協(xié)同工作，共同抵抗外力。特別是在地震作用下，當(dāng)其中一部分結(jié)構(gòu)有所損傷時，另一部分應(yīng)有足夠的剛度和承載力能夠共同抵抗后期地震作用力。在抗震結(jié)構(gòu)中設(shè)計雙重抗側(cè)力體系實現(xiàn)多重設(shè)防，才是安全可靠的結(jié)構(gòu)體系。

3.3.3 總結(jié)構(gòu)體系與基本分結(jié)構(gòu)體系

1972年12月23日尼加拉瓜首都發(fā)生強烈地震，1萬多棟樓房倒塌。林同炎公司1963年設(shè)計的美州銀行大樓，雖位于震中，承受比設(shè)計地震作用0.06g大6倍的地震0.35g而未倒塌，引起世界同行的高度重視。眾所周知，建筑物在地震作用下的運動與由風(fēng)引起的位移是不同的，在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)會在任意方向變形。在高層建筑中，這種變形更為復(fù)雜。當(dāng)然主要是第一振型，同時也包括具有鞭梢效應(yīng)的第二、第三振型，變形量很大。所以設(shè)計者主要考慮的是如何避免就其結(jié)構(gòu)固有特征會引起倒塌的過大變形。再則，設(shè)計高層結(jié)構(gòu)所考慮抗風(fēng)與抗地震要求的出發(fā)點往往是矛盾的。剛度大的結(jié)構(gòu)對抗風(fēng)荷載有利，動力效應(yīng)小;反之，較柔的結(jié)構(gòu)有利于抗震。所以要設(shè)計一個抗風(fēng)及抗震性能都很好的高層結(jié)構(gòu)不很容易。林同炎教授的設(shè)計思想是設(shè)計一個由4個柔性筒組成的，具有很大抗彎剛度的結(jié)構(gòu)總體系。在抗風(fēng)荷載及設(shè)防烈度的地震作用下表現(xiàn)為剛性體系。當(dāng)遇到罕見的強烈地震時，通過控制各分體系(柔性筒)之間的聯(lián)接構(gòu)件(鋼筋混凝土連梁)的屈服、破壞，而變成具有延性的結(jié)構(gòu)體系，即各分體系獨立工作，則結(jié)構(gòu)的自振周期變長，阻尼增加，即使超出彈性極限，仍持有塑性強度，可做到搖擺而不倒塌。地震后的實地觀察，證明其設(shè)計思想是正確的，正如預(yù)料的那樣，聯(lián)梁的混凝土剝落，梁中有明顯裂縫。但四個柔性筒的本身均無裂縫，筒壁仍處于彈性階段。

3.4 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)或構(gòu)件

延性是指構(gòu)件或結(jié)構(gòu)具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。在“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計原則下，結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計成延性結(jié)構(gòu)時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結(jié)構(gòu)變形加大，但結(jié)構(gòu)承受的地震作用不會直線上升，也就是說，結(jié)構(gòu)是用它的變形能力在抵抗地震作用。延性結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計應(yīng)遵守“強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點弱桿件，強底層柱”原則，承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

3.5 應(yīng)有意識地加強薄弱環(huán)節(jié)

(1)結(jié)構(gòu)在強烈地震下不存在強度安全儲備，構(gòu)件的實際承載力分析(而不是承載力設(shè)計值的分析)是判斷薄弱層的基礎(chǔ)。

(2)要使樓層(部位)的實際承載力和設(shè)計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的這個比例有突變時，會由于塑性內(nèi)力重分布導(dǎo)致塑性變形的集中。

(3)要防止在局部上加強而忽視整個結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。

(4)在抗震設(shè)計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的主要手段。

4 做好高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計還應(yīng)注意的問題

(1)結(jié)構(gòu)方案要根據(jù)建筑使用功能、房屋高度、地理環(huán)境、施工技術(shù)條件和材料供應(yīng)情況、有無抗震設(shè)防來選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。

(2)不同結(jié)構(gòu)體系在豎向荷載、風(fēng)荷載及地震力作用下的受力特點。

(3)風(fēng)荷載、地震作用及豎向荷載的傳遞途徑。

(4)結(jié)構(gòu)破壞的機制和過程，以加強結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。

(5)預(yù)估和控制各類結(jié)構(gòu)及構(gòu)件塑性鉸區(qū)可能出現(xiàn)的部位和范圍。

(6)場地選擇、地基基礎(chǔ)設(shè)計及地基變形對上部結(jié)構(gòu)的影響。

(7)各類結(jié)構(gòu)材料的特性及其受溫度變化的影響。

(8)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生的有利和不利影響，要協(xié)調(diào)布置，并保證與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的可靠等。

［1］GB 50011－2001建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范［S］

［2］張鵬梁，項宗方，周凌．淺議工程抗震設(shè)計中的概念設(shè)計［J］．山西建筑，2006，32(3):48－49

［3］馮豪．概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)中心的應(yīng)用［J］．山西建筑，2006，32(5):73－74