蔣安靜　顧欣欣

摘要：在建筑抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能設(shè)置多道抗震防線，利用延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同工作抵抗地震力或利用贅余桿件屈服和變形來(lái)吸收消耗大量的地震能量，同時(shí)利用贅余桿件的破壞與退出工作，使整個(gè)結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過(guò)渡到另外一種體系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期的變化，以避開共振效應(yīng)，從而減輕建筑物在地震作用中的破壞程度。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；多道抗震設(shè)防；設(shè)計(jì)

1.概述

由于地震動(dòng)具有明顯的隨機(jī)性和復(fù)雜性，加之建筑的動(dòng)力特性、所在場(chǎng)地、材料及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的不確定性，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前難以做到。在地震預(yù)報(bào)科學(xué)水平有限的今天，為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震可靠性，不僅僅要依靠結(jié)構(gòu)抗震能力的相關(guān)計(jì)算，還必須綜合考慮多種因素：場(chǎng)地條件和場(chǎng)地土的穩(wěn)定性；建筑的平立面布置；抗震結(jié)構(gòu)體系的選取；材料與施工質(zhì)量等，著重從建筑物的總體上進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)即結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)。

縱觀近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大地震，采用單一結(jié)構(gòu)體系（例如單跨框架結(jié)構(gòu)）的建筑物，僅有一道抗震防線，在強(qiáng)烈地震作用下，它的倒塌率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)采用雙重（例如框架一抗震墻、框架一支撐等）或多重抗側(cè)力體系的房屋的倒塌率。研究[LU1]表明，這些震害現(xiàn)象不僅與結(jié)構(gòu)本身剛度與承載力有關(guān)，更與多道抗震防線有緊密聯(lián)系。

多道抗震防線指的是：第一，一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來(lái)協(xié)同工作，如框架一抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個(gè)系統(tǒng)組成；雙肢或多肢抗震墻體系由若干個(gè)單肢墻分系統(tǒng)組成；第二，抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度，有意識(shí)地建立起一系列分布的屈服區(qū)，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復(fù)。

具有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系有多跨框架、框架-填充墻體系、框架-剪力墻體系、框架-簡(jiǎn)體體系、筒中筒體系等。

2.多道抗震設(shè)防的基本原理

一次大地震，某場(chǎng)地產(chǎn)生的地震動(dòng)，能造成建筑物破壞的強(qiáng)震持續(xù)時(shí)間，少則幾秒，多則十幾秒，甚至更長(zhǎng)。長(zhǎng)時(shí)間的地震動(dòng)，會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生往復(fù)式的沖擊，造成積累式的破壞。如果建筑物采用的是多重抗側(cè)力體系，第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件在強(qiáng)烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道乃至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立即接替，抵擋住后續(xù)的地震動(dòng)的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期與地震動(dòng)卓越周期相同或接近的情況時(shí)，當(dāng)?shù)谝坏揽箓?cè)力防線因共振而破壞，第二道防線接替后，建筑物自振周期將出現(xiàn)較大幅度的變動(dòng)，與地震動(dòng)卓越周期錯(cuò)開，使建筑物的共振現(xiàn)象得以緩解，減輕地震的破壞作用。

因此，在抗震設(shè)防中應(yīng)考慮多道抗震防線。優(yōu)先采用不負(fù)擔(dān)或少負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或者選用軸壓比值較小的抗震墻、實(shí)墻筒體之類構(gòu)件，作為第一道抗震防線。如因條件限制，只能采用單一的框架體系，則應(yīng)采用“強(qiáng)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，利用梁的變形來(lái)消耗輸入的地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。連系梁的設(shè)置以及恰當(dāng)?shù)呐浣钅軌蛟鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)的延性。當(dāng)遭遇地震時(shí)，這些連系梁首先承擔(dān)地震前期脈沖的沖擊，以達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。

3.工程實(shí)例

近十年來(lái)國(guó)內(nèi)最大地震-2008年5月12日四川汶川地震發(fā)生后，專家組在第一時(shí)間通過(guò)大量對(duì)汶川地震災(zāi)區(qū)的建筑物破壞情況實(shí)地調(diào)查，對(duì)汶川地震中的典型建筑物破壞案例進(jìn)行討論分析，發(fā)現(xiàn)災(zāi)區(qū)建筑物的破壞類型呈多樣性，主要表現(xiàn)形式有：砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱斷裂、承重墻體開裂、樓梯破損、甚至整體坍塌等；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的框架柱梁破壞（圖1）、個(gè)別墻體與柱連接處開裂、填充墻開裂、樓蓋破壞（圖2）等。本次地震發(fā)生在川西地區(qū)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)村修建的磚混結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)房屋基本未考慮抗震設(shè)防，普遍存在較大的質(zhì)量安全隱患，大部分磚混結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)房屋抗震性能較差。其中，磚混結(jié)構(gòu)房屋的鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱設(shè)置也很不規(guī)范（圖3）。

分析以上破壞案例可知，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，應(yīng)嚴(yán)格按照抗震規(guī)范要求，設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁（圖4），并確保兩者的連接，以便加強(qiáng)建筑物的穩(wěn)定性，提高多層砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。構(gòu)造柱、圈梁雖然不能提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力，但作為約束構(gòu)件，可以提高墻體的延性。在大震作用下，磚墻被破壞后，被圈梁構(gòu)造柱箍起的墻體還可不倒塌，這就形成了抗震的第二道防線。

汶川地震中，大多數(shù)純多層框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)震害一般較輕，多為“強(qiáng)梁弱柱”類型的破壞形式即框架結(jié)構(gòu)的柱端發(fā)生裂縫或破損，而框架梁卻完好無(wú)損，或柱倒塌，梁隨之倒塌，這就不能達(dá)到抗震設(shè)計(jì)目的。圖5建筑的柱太細(xì)且截面配筋細(xì)而不足，呈“強(qiáng)梁弱柱”類型，中間一層形成薄弱層，易引起局部倒塌。因此，抗震設(shè)計(jì)應(yīng)保證“強(qiáng)柱弱梁”的延性框架，“強(qiáng)柱弱梁”即在地震時(shí)，保證讓梁端先出現(xiàn)裂縫，形成塑性鉸來(lái)吸收一部分地震能量，梁為第一道防線，柱為第二道防線，從而避免柱子先于梁遭受破壞。同時(shí)，也可以適當(dāng)?shù)脑诖罂缍瓤蚣芙Y(jié)構(gòu)中墻體位置處增設(shè)剪力墻，或在柱間設(shè)置支撐等，來(lái)形成抗震的多道防線。大震發(fā)生時(shí)，讓其增設(shè)部件作為結(jié)構(gòu)的“第一道防線”率先破壞，消耗地震能量，減小對(duì)整體結(jié)構(gòu)的破壞程度，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。

本次地震中，框架一剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)，由于具有較大的抗側(cè)剛度和承載力，顯示出了優(yōu)越的抗震性能，尤其是與統(tǒng)一地區(qū)的框架結(jié)構(gòu)相比，框架一剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)的損壞要輕很多。由各類結(jié)構(gòu)形式建筑的震害情況可以看出，雙重抗側(cè)力體系的建筑的破壞程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單側(cè)力體系建筑。因此，多道抗震防線的設(shè)置對(duì)建筑物的抗震至關(guān)重要。

4.多道抗震設(shè)防的工程應(yīng)用

蘇綸紡織廠建于20世紀(jì)90年代初期，主廠房共3層，層高超過(guò)6m，已使用19年。原設(shè)計(jì)為單向框架結(jié)構(gòu)，按當(dāng)時(shí)規(guī)范情況未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。業(yè)主擬將主廠房改建為大型商業(yè)超市，保留原有建筑外觀，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能，并賦予其新功能。抗震設(shè)防烈度為6度（第一組），設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。