(太原市建工興達工程有限公司，山西 太原 030001)

引言

隨著全球進入新一輪的地震活躍期，地震對人類的影響越來越大。我國是一個多地震的國家，抗震設防的市鎮(zhèn)涵蓋85%以上。歷次地震證明，地震烈度有很大的不確定性，抗震設計還處于摸索階段，地震理論還有待完善，當然地震也是對結構抗震設防的最好檢驗。所以，在設計中應抓大放小，重概念輕精度，先從結構體系著手。

1 影響結構體系的因素

影響結構體系的因素很多，如抗震設防類別、抗震設防烈度、場地條件、地基、結構材料和施工等，還應考慮技術、經(jīng)濟和使用條件等。結構體系問題是結構抗震設計的關鍵，即要解決承載力、剛度和延性問題。

(1)對于抗震結構，除了要承擔常規(guī)荷載外，還要承擔地震動作用，其材料強度和剛度不是越大越好，如抗彎強度過高不利于抗剪，剛度過大也會加大結構的地震作用，均需要控制在合理的范圍內(nèi)。

(2)結構體系由各類構件相互連接組成，抗震結構構件應具有必要的承載力、合理的剛度、良好的延性、可靠的連接，使這幾個因素之間合理均衡。

(3)結構構件應具有良好的延性，即變形能力和耗能能力。延性可以增加結構的抗震潛力，增強結構的抗倒塌能力。結構抗震設計的本質(zhì)就是結構承載力、剛度和延性的合理把握。

2 結構體系應滿足的要求

2.1 強調(diào)概念設計，明確傳力途徑

在抗震結構設計中，規(guī)范特別強調(diào)了概念設計的重要性。對結構計算簡圖的分析把握，例如明確地震作用的傳力路徑是什么，是如何從上部結構傳至下部結構及地基基礎的等，這是結構概念設計的重要內(nèi)容之一，而使用計算軟件是無法替代人為的概念設計工作的。

抗震結構體系要求受力明確、傳力合理且傳力路線不間斷，使結構的抗震分析更符合結構在地震時的實際表現(xiàn)，且對提高結構的抗震性能有利，是結構選型與布置結構抗側(cè)力體系時應該首先考慮的因素之一。一般采用的是多遇地震作用下的彈性計算方法，通過抗震措施來實現(xiàn)設防烈度地震的要求，通過控制結構的彈塑性位移來實現(xiàn)“大震不倒”的設防目標。這些基本的抗震設防要求，對概念清晰、傳力直接的規(guī)則結構及不規(guī)則程度較輕的一般性不規(guī)則結構具有較好的適應性，也能較準確地估計設防烈度地震及罕遇地震作用的影響。而對于特別不規(guī)則結構的適應性差，對設防烈度地震及罕遇地震作用的影響也將難以準確估計。

2.2 確保重力荷載承載力，力求強度、剛度和變形能力的統(tǒng)一

對地震倒塌宏觀現(xiàn)象的研究表明，房屋倒塌的最直接原因是結構因破壞而喪失承受重力荷載的能力。因此，任何情況下都應首先確保結構對重力荷載的承載力。結構的抗震能力需要強度、剛度和變形能力的統(tǒng)一，即抗震結構體系應具備必要的強度和良好的變形耗能能力，僅有強度而缺乏足夠的延性(例如不設置圈梁構造柱的砌體結構等)時，在強烈地震下很容易破壞；雖有較好的延性而強度不足(如純框架結構等)時，在強烈地震下必然產(chǎn)生很大的變形、嚴重破壞甚至倒塌。

2.3 設置多道抗震防線

震害調(diào)查表明，破壞性強震具有持續(xù)時間長(短則幾秒，長則幾十秒甚至更長時間)、脈沖往復次數(shù)多(對房屋造成累計破壞)等特點。單一結構體系的房屋(僅1道防線)一旦破壞，接踵而來的持續(xù)地震動將會造成房屋的倒塌。當房屋采用多道防線(兩道或3道)時，第1道防線破壞后，后續(xù)防線能接替抵抗后續(xù)的地震沖擊，從而保證房屋最低限度的安全，避免房屋的倒塌。因此，抗震房屋設置多道防線是必須的，也是“大震不倒”的基本要求。

一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協(xié)同工作。震害調(diào)查表明，房屋倒塌源自抗側(cè)力構件喪失承受豎向荷載的能力(尤其是受“大震”下的P-A效應的影響)。因此，在選擇第1道防線的構件時，應適當降低第1道防線中結構構件的豎向軸壓力，使其即使有損壞也不會對整個結構的豎向承載力有較大的影響。在實際工程中，優(yōu)先采用不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐、砌體填充墻，或者選用軸壓比較小的抗震墻。但應注意的是，抗震墻的軸壓不是越小越好，應使墻肢保持適當?shù)妮S壓水平(例如0.1～0.2)，以提高墻肢的受剪承載力并增加墻肢的延性，同時避免在“大震”下出現(xiàn)墻肢受拉情況，以免造成剛度和承載力的突降。

在結構設計中，應避免抗震墻只承受自重的情況，例如采用樓梯間外墻等、抗震墻筒體等作為第1道防線的抗側(cè)力構件，而不采用軸壓比很大的框架柱作為第1道防線的抗側(cè)力構件。舉例如下：

(1)框架-抗震墻體系由延性框架和抗震墻組成，在框架-抗震結構中，抗震墻由于其側(cè)向剛度大，成為抗震的第1道防線，框架則是抗震的第2道防線。而在抗震墻很少的框架結構中，由于抗震墻的數(shù)量少，因此其不能成為1道防線，該結構體系也就不屬于多道防線的結構體系。

(2)雙肢墻或多肢墻抗震墻體系由若干個單肢墻分系統(tǒng)組成，大震時連梁先屈服并吸收大量的地震能量，既能傳遞彎矩和剪力，又能對墻肢有一定的約束作用。

(3)框架-筒體體系由延性框架和筒體兩個系統(tǒng)組成。

(4)單層廠房的縱向體系中，柱間支撐是第1道防線，柱是第2道防線，并通過柱間支撐的屈服耗能來保證結構的安全。

2.4 增加內(nèi)外部贅余度，減少負擔重力荷載的構件

抗震結構體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)外部贅余度(即超靜定的次數(shù)要多)，有意識地建立起一系列分布的屈服區(qū)，如耗能構件、連梁、偏心支撐、框架結構中的砌體填充墻、雙連梁之間設置的砌體填充墻等，以使結構能吸收和消耗大量的地震能量，而這些有意設定的屈服區(qū)一旦破壞也易于修復。震害調(diào)查還表明，地震倒塌是由于結構破壞而喪失豎向承載的能力，因此，第1道防線應優(yōu)先選擇不負擔或盡量少負擔重力荷載的構件(如支撐或填充墻)，或穩(wěn)定性較好的結構構件(如軸壓比較小的抗震墻筒體等)；不宜采用軸壓比很大的框架柱或承受較大豎向荷載的構件兼作第1道防線的抗側(cè)力構件。

2.5 避免剛度突變

樓層側(cè)向剛度的突然變大或突然變小均屬于剛度突變，剛度突變是由于建筑體型復雜或主要抗側(cè)力結構體系在豎向布置的不連續(xù)造成的。剛度突變的部位將產(chǎn)生應力集中和變形集中(或塑性變形集中)現(xiàn)象，應力集中的部位如果不進行適當?shù)募訌?，將先于相鄰部位進入塑性變形階段，造成塑性變形集中，最終導致嚴重破壞甚至倒塌。剛度突變部位往往也是結構層屈服承載力的突變部位，剛度突變屬于結構的軟弱層并與薄弱層密切相關，因此，剛度突變部位經(jīng)常是薄弱層的重要表征之一。

2.6 控制抗震薄弱層

薄弱層問題(只存在于第3水準即“大震”設計中)是結構抗震設計應重點關注的問題。薄弱部位也是確?！按笳鸩坏埂钡年P鍵部位，應特別注意其抗震承載力及地震時的彈塑性變形問題。

結構在強烈地震下不存在強度安全儲備，這就是地震作用與荷載的最大區(qū)別，構件的實際承載力分析(而不是承載力設計值分析)是判斷薄弱層(部位)的基礎。應使樓層(部位)的設計承載力與設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。但需注意的是，彈性計算結果與彈塑性分析結果之間往往存在較大的差異，一般情況下，彈性計算結果的規(guī)律性不能等同于結構彈塑性的實際狀態(tài)，只有當結構較為規(guī)則或者結構不規(guī)則程度較輕時，結構彈性分析才與彈塑性分析之間有一定的相似性。對于不規(guī)則程度較高的結構、復雜結構等，應進行專門的彈塑性分析，一旦樓層(部位)的設計承載力與設計計算的彈性受力之比有突變時，會由于塑性內(nèi)力重分布導致塑性變形集中。

要防止在局部上加強而忽視對整個結構各部位剛度、強度的協(xié)調(diào)。要控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力而又不致使薄弱層位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。

2.7 調(diào)控動力特性

結構兩個主軸方向的動力特性(周期和振型)相近，一般情況下指相差宜在20%以內(nèi)，強調(diào)的是兩個方向的均勻問題，對于橫墻很多、縱墻較少(或橫墻較少、縱墻很多)的建筑應特別予以重視。這些建筑在強烈地震時，往往會由于某一方向太弱而率先破壞，從而引起整個建筑的連續(xù)倒塌。這里要求的是兩個方向動力特性相近，而不是刻意要求兩個方向完全一致，因為兩個主軸方向動力特性不相近的房屋，其兩向的平面尺度一般相差較大(如長矩形平面等)，如果過分強調(diào)兩向一致必然會引起其他性能的過大差異，例如抗震墻截面面積的較大差異，加大兩向受剪承載力的差異等。另外，當兩個相鄰振型周期過于接近時，振型之間的藕聯(lián)明顯，如周期比為0.85時，藕聯(lián)系數(shù)約為0.27；而當周期比為0.9時，藕聯(lián)系數(shù)則約為0.5。因此，尋求的是動力特性與其他抗震性能的均衡、協(xié)調(diào)。

3 結語

概念設計是影響結構抗震性能的最重要因素?？拐鸾Y構體系應有明確的計算簡圖和地震作用傳遞途徑。設置多道抗震防線、選擇合理的剛度和承載力分布，避免剛度突變及薄弱層的形成，是保證結構體系安全的有效措施。