彭 景， 李海燕， 周 磊

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié) 551700)

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淺談建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

彭 景， 李海燕， 周 磊

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，貴州畢節(jié) 551700)

2015年5月15日，新修訂的強制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》發(fā)布，2016年8月1日起，全面實施2016年版的GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》。按照《2015年中央城市工作會議公報》以及其他黨和國家現(xiàn)行的有關(guān)文件，提高建筑標(biāo)準(zhǔn)和工程質(zhì)量是當(dāng)前的主要工作目標(biāo)之一，而提高建筑物的抗震性能則是促進(jìn)這項工作目標(biāo)順利完成的重要舉措。文章將闡述了抗震概念設(shè)計對提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的重要意義。

地震動參數(shù)區(qū)劃圖； 建筑抗震設(shè)計規(guī)范； 抗震概念設(shè)計； 建筑結(jié)構(gòu)

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對抗震概念設(shè)計有明文解釋：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，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程稱之為抗震概念設(shè)計[1]。根據(jù)抗震概念設(shè)計原則，進(jìn)而根據(jù)抗震計算結(jié)果對建筑結(jié)構(gòu)采取各種抗震措施，以達(dá)到建筑抗震的目標(biāo)。

抗震概念設(shè)計的內(nèi)容包括但不局限于以下內(nèi)容：結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)及分類、結(jié)構(gòu)的抗震防線、結(jié)構(gòu)的整體性、結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性、結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性。

本文將逐一對以上內(nèi)容進(jìn)行分析，以闡述其對建筑抗震性能的重要影響。

1 抗震概念設(shè)計

1.1 抗震設(shè)防目標(biāo)及分類

根據(jù)《抗規(guī)》，建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)是：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用，即小震不壞；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的設(shè)防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用，即中震可修；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時，不致倒塌或發(fā)生危機(jī)生命的嚴(yán)重破壞[1]。以上內(nèi)容即三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)。

根據(jù)建筑物(或建筑物的各區(qū)段)的重要性及其破壞后對社會、經(jīng)濟(jì)、人民生命財產(chǎn)安全的影響大小不同，適當(dāng)?shù)膶⒔ㄖ镞M(jìn)行抗震設(shè)防分類，以達(dá)到減小地震災(zāi)害的損失且并不會過多地增加建筑工程的造價及工程難度。例如將涉及國家和社會公共安全的重大房屋建筑工程，列為需要進(jìn)行特殊設(shè)防的建筑，簡稱甲類；將地震時使用功能不能中斷或需盡快回復(fù)的生命線相關(guān)建筑，列為需要提高設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的建筑，簡稱乙類[2]。如此即可更有針對性的完成建筑抗震設(shè)計，不會導(dǎo)致花過大的經(jīng)濟(jì)代價去建造一個臨時性的建筑設(shè)施，也不至于降低重要的建筑物的抗震性能。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50223—2008中，將建筑工程分為甲乙丙丁四個類別[2]。伴隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)的逐漸發(fā)展，我國對GB 50223—2008也將進(jìn)行適時修訂。列如將所有二級、三級醫(yī)院的設(shè)防分類提高到乙類或甲類，對具有外科手術(shù)室或急診科的鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院也提高到乙類，對人員密集的大型公共設(shè)施也提高了抗震設(shè)防類別。

1.2 結(jié)構(gòu)的抗震防線

為了保證結(jié)構(gòu)在荷載下不致迅速破壞，結(jié)構(gòu)與外部、結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間應(yīng)由一定數(shù)量的有效多余約束(即結(jié)構(gòu)的冗余度)。例如框架結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點即為一個超靜定節(jié)點，當(dāng)荷載作用大于一定數(shù)值時，會將其中一部分約束破壞，但由于還有其他約束的存在，結(jié)構(gòu)仍然能保持其幾何不變。這就是結(jié)構(gòu)多道防線的意義所在。

汶川地震中，映秀鎮(zhèn)漩口中心教學(xué)樓采用的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，而附近的四層辦公樓和在建的宿舍樓則是采用砌體結(jié)構(gòu)(圖1)[3]。眾所周知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能要好于砌體結(jié)構(gòu)，其根本原因在于砌體結(jié)構(gòu)的整體性不如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但對砌體結(jié)構(gòu)采取有效措施(鋼筋混凝土圈梁及構(gòu)造柱、現(xiàn)澆樓蓋)后，能一定程度上增強砌體結(jié)構(gòu)的整體性。

教學(xué)樓采用的框架結(jié)構(gòu)只有一道防線，即鋼筋混凝土框架。采用砌體結(jié)構(gòu)的辦公樓當(dāng)中，砌體部分是一個結(jié)構(gòu)單元，而鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁則形成了另一個弱框架結(jié)構(gòu)體系，則形成了約兩道防線。且砌體結(jié)構(gòu)在鋼筋混凝土構(gòu)造柱和鋼筋混凝土圈梁的約束下，延性和整體性大大提高。故而在強震下，砌體結(jié)構(gòu)雖有破壞，但未倒塌。

(a) 主教學(xué)樓倒塌

(b) 附樓局部倒塌

(c) 辦公樓破壞不倒

(d) 砌體住宅破壞不倒圖1 汶川地震建筑震害照片

我國常規(guī)教學(xué)樓的平面布置方案如圖2所示。

圖2 教室平面示意

圖2(a)為單跨框架結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較差，且僅有一道抗震設(shè)防防線。若對此結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行改造，在走廊外側(cè)增加一排框架柱，且在適當(dāng)部位的增設(shè)混凝土抗震橫墻作為第二道防線。圖2(b)為多跨框架結(jié)構(gòu)，平面的抗震性能大大提高，且不影響建筑功能。

因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型及建筑重要性等級(安全等級)，適度增設(shè)抗震防線，對提高建筑抗震性能是極其有益的。

1.3 結(jié)構(gòu)的整體性

汶川地震中，沒有按照規(guī)范要求采取構(gòu)造措施的砌體結(jié)構(gòu)，其破壞程度和造成的損失是巨大的。究其原因，在于砌體結(jié)構(gòu)的整體性不夠好，豎向構(gòu)件提前失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致梁板等水平構(gòu)件墜落，后果不堪設(shè)想。倘若采用的是預(yù)制板而非現(xiàn)澆板，后果更加嚴(yán)重。

我國現(xiàn)行規(guī)范中，提出的構(gòu)造柱及圈梁將有效提高砌體結(jié)構(gòu)的整體性能進(jìn)而提高其抗震性能。

1.4 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

《抗規(guī)》中3.4.1條明確規(guī)定：不規(guī)整的建筑應(yīng)按規(guī)定采取加強措施；特別不規(guī)則的建筑應(yīng)進(jìn)行專門研究和論證，采取特別的加強措施；嚴(yán)重不規(guī)整的建筑不應(yīng)采用[1]。

結(jié)構(gòu)的規(guī)則性可分為平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性兩類。

平面不規(guī)則的類型可分為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則和樓板不連續(xù)。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則是指在規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或曾經(jīng)位移)，大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍(此時樓層最大位移是最小位移的1.45倍，已達(dá)到一個較大值)[1]。這是從結(jié)構(gòu)受力變形計算結(jié)果來分析的。凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)則屬于幾何不規(guī)則，主要體現(xiàn)在平面幾何尺寸和平面剛度急劇變化。例如一些酒店、辦公樓的某幾層或頂層，為形成大空間會議室、宴會廳等，則將樓板開了較大的洞口，造成平面不規(guī)則。

豎向不規(guī)則的類型分為側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)以及樓層承載力突變。側(cè)向剛度不規(guī)則是指某層的側(cè)向剛度相對上一層過小，或相對相鄰上三層平均值的80 %。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)是指豎向抗側(cè)力構(gòu)件，例如墻、柱以及支撐等，其內(nèi)力不能直接向下傳遞，則需要通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞。樓層承載力突變是指建筑結(jié)構(gòu)樓層的層間抗剪承載力小于其相鄰上一層結(jié)構(gòu)樓層的80 %。

以上為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則的主要項目，建筑形體和布置應(yīng)依據(jù)抗震概念設(shè)計原則劃分為規(guī)則與不規(guī)則兩大類；對于具有不規(guī)則的建筑，針對其不規(guī)程的具體情況，明確提出不同的要求；應(yīng)避免在工程設(shè)計中采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置方案。

在設(shè)計中，對于復(fù)雜不規(guī)則的建筑，還可以通過設(shè)置抗震縫來將一個結(jié)構(gòu)整體化簡為多個規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。但應(yīng)盡量避免這種措施，因為在地震中，各結(jié)構(gòu)單元之間由于變形不協(xié)調(diào)將產(chǎn)生碰撞破壞。

3 結(jié)論

抗震概念設(shè)計是建筑抗震設(shè)計的思想方針，是抗震設(shè)計的精髓。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)將抗震概念設(shè)計放在第一位，從大方向上來把控整個設(shè)計過程，著重控制上文中的主要項目。這樣才能做到有的放矢，不必過高地采取措施，也不會造成隱患。

抗震概念設(shè)計是建筑抗震設(shè)計的關(guān)鍵出路，倘若方向不對，則會造成不必要的無用之功，甚至?xí)斐刹豢深A(yù)估的損失。只有將概念設(shè)計放在工程設(shè)計的第一階段，并以此來為建筑設(shè)計方案提供更多的支撐，將極大的提高我國建筑的抗震能力并取得顯著的社會效益。

建議剛參加工作的設(shè)計人員及土木工程專業(yè)的大學(xué)生應(yīng)著重于抗震的概念設(shè)計，在此基礎(chǔ)上再繼續(xù)研習(xí)抗震構(gòu)造措施，方可更好的實現(xiàn)建筑抗震設(shè)計。

[1] GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 王亞勇，王言訶. 汶川大地震建筑震害啟示[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(7)：1-6.

彭景(1987～)，男，研究生，高級工程師，研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)。

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[定稿日期]2017-05-22