郭 振 東

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

我國是一個地震頻率高發(fā)國家。當(dāng)代，發(fā)生在我國有記錄的大震均對國家和人民造成重大損失。因此，“抗震安全”在建設(shè)工程中從政策制定到技術(shù)指導(dǎo)越來越受到關(guān)注。盡管現(xiàn)今建設(shè)水平發(fā)展迅速，但是我們對“地震”的研究還遠談不上科學(xué)(很多研究資料將之稱為“藝術(shù)”)。盡管我國現(xiàn)行的《中國地震烈度區(qū)劃圖》已經(jīng)在科學(xué)性及準(zhǔn)確性上做得很好，但是基于我國可統(tǒng)計的有準(zhǔn)確記錄的地震歷史資料有限，造成大震或特大地震總是出現(xiàn)在低烈度區(qū)；同時在發(fā)生地震時，地面運動存在較大的不確定性，即使是同一建筑場地，發(fā)生地震后不同性質(zhì)的地面運動對建筑物破壞也不同；而且在地震中還存在著震級大小、傳播途徑、震中距及震源機制等諸多不確定因素，造成我們對地震研究的諸多困難。

以上所述的諸多困難和不確定性都是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所要面對的“難題”。要解決好這道“難題”，必須對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)鍵點做好控制。以下對設(shè)計中的關(guān)鍵點展開詳述。

1 抗震設(shè)計中的“概念設(shè)計”方法

抗震“概念設(shè)計”是指將地震影響不確定性和已研究出的規(guī)律性結(jié)合起來，在方案制定階段就對結(jié)構(gòu)總體布置、承載力與結(jié)構(gòu)剛度分布、結(jié)構(gòu)延性、關(guān)鍵薄弱部位設(shè)計等重要問題進行重點設(shè)計控制。“概念設(shè)計”重視結(jié)構(gòu)整體計算指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)破壞特性知識基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對方案在制定初期就進行整體控制，盡量消除方案對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的不利影響，從根本上保證結(jié)構(gòu)體系抗震安全。

在我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《抗規(guī)》)規(guī)定基本的抗震設(shè)防目標(biāo)是：小震不壞(即多遇地震，從抗震設(shè)計角度看，結(jié)構(gòu)體系可視作彈性體系，一般采用反應(yīng)譜法進行彈性分析)，中震可修(即設(shè)防地震，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系進入非彈性工作階段；要求結(jié)構(gòu)體系在非彈性變形或結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件損壞控制在可修復(fù)的范圍)，大震不倒(即罕遇地震，要求結(jié)構(gòu)體系可以存在較大非彈性變形，但應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，避免倒塌?？拐鹨?guī)范中的“三水準(zhǔn)，二階段”抗震設(shè)防目標(biāo)與地震烈度之間的關(guān)系見表1)。從表1中可以看出：我國現(xiàn)行的《抗規(guī)》規(guī)定：對結(jié)構(gòu)進行“小震彈性條件計算，對少量結(jié)構(gòu)體系(《抗規(guī)》2016年版條文：5.5.2；5.5.3)進行大震彈塑性變形驗算；在小震彈性條件計算的基礎(chǔ)上通過抗震措施(強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點計算系數(shù)放大調(diào)整，各種抗震構(gòu)造措施等)滿足中震要求。

表1 我國“三水準(zhǔn)，二階段”抗震設(shè)防目標(biāo)與地震烈度之間的關(guān)系表

抗震設(shè)防目標(biāo)對使用功能有更高需求時，可進行建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計，可分別針對整個結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的局部部位或關(guān)鍵構(gòu)件、重要構(gòu)件、次要構(gòu)件以及建筑構(gòu)件和機電設(shè)備支座的性能目標(biāo)有針對性的進行設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)體系的“規(guī)則性”問題

隨著經(jīng)濟發(fā)展，建筑方案中因各種因素需求，所要求的建筑也越來越“花式”(使用功能要求多樣，造型堪稱“魔幻”)。這些“花式”帶給結(jié)構(gòu)設(shè)計往往是更多的結(jié)構(gòu)體系“不規(guī)則”問題。對于體系“不規(guī)則”問題，雖然《抗規(guī)》3.4.3；3.4.4作出了詳細的判別標(biāo)準(zhǔn)，但是條文包括條文說明在很多設(shè)計人員看來往往晦澀難懂。而且現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計都是以結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件為工具進行整體設(shè)計，雖然先進的結(jié)構(gòu)軟件使工作效率得到提升，但是軟件參數(shù)呈現(xiàn)“傻瓜化”發(fā)展趨勢。晦澀的規(guī)范條文結(jié)合軟件參數(shù)的“傻瓜化”讓年輕設(shè)計人員在設(shè)計參數(shù)選擇中存在錯誤，最后得到錯誤的設(shè)計結(jié)果。現(xiàn)在對部分重要參數(shù)做出解讀，以便設(shè)計者對“規(guī)則性”問題有更好的認識。

2.1 扭轉(zhuǎn)位移比計算問題

《抗規(guī)》3.4.3-1：具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移(或?qū)娱g位移)的最大值與平均值的比值大于1.2。本條規(guī)范條文中關(guān)鍵信息較多，現(xiàn)歸納如下：

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計時大部分情況應(yīng)滿足“剛性樓板”假定，樓板有較大開洞時可按實際情況確定樓板剛度。

2)考慮偶然偏心及扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)。

3)規(guī)定的水平力：相鄰樓層的地震剪力。

4)兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移應(yīng)特別注意是結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件(柱、墻)的位移，并不是全樓最大位移(實際結(jié)構(gòu)體系扭轉(zhuǎn)，最大位移可能出現(xiàn)在懸挑板角部等部位)。

5)“規(guī)定水平力”僅用于對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則判斷使用，一般常見結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件設(shè)計計算仍然使用CQC(計入扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的振型分解反應(yīng)譜法)的計算結(jié)果。

2.2 樓板局部不連續(xù)參數(shù)解讀

《抗規(guī)》3.4.3-1中對樓板局部不連續(xù)指出“較大的樓層錯層”指：一般設(shè)計中按樓面標(biāo)高差超過梁高或大于600 mm來考慮。

3 結(jié)構(gòu)分析方法

《抗規(guī)》3.6.3給出了關(guān)于重力二階效應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的使用方法。需要注意的是：《抗規(guī)》中的重力二階效應(yīng)更強調(diào)結(jié)構(gòu)體系在地震作用下與結(jié)構(gòu)重力效應(yīng)疊加的效果；《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5.3.4更強調(diào)結(jié)構(gòu)體系在初始缺陷(施工過程中的誤差)、建筑投入使用后和理想設(shè)計狀態(tài)存在差異(例如建筑投入使用后，局部結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)活荷載不利布置等因素)以及側(cè)向荷載(風(fēng)載)等諸多因素共同的作用對結(jié)構(gòu)體系形成的初始偏心和結(jié)構(gòu)重力效應(yīng)疊加效果；兩者(《抗規(guī)》和《混規(guī)》關(guān)于重力二階效應(yīng))不應(yīng)同時考慮。同時還注意到：《抗規(guī)》3.6.3和《高規(guī)》5.4.1-2中關(guān)于重力二階效應(yīng)要求基本相同，只是兩個規(guī)范中尺度要求不一樣：《抗規(guī)》3.6.3中穩(wěn)定系數(shù)大于0.1時考慮重力二階效應(yīng)；《高規(guī)》5.4.1-2經(jīng)過公式變形后和3.6.3穩(wěn)定系數(shù)公式一樣，只是高規(guī)中的穩(wěn)定系數(shù)在大于1/20時應(yīng)考慮地震作用二階效應(yīng)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計常見問題

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計前期準(zhǔn)備工作中，根據(jù)建筑工程需要和地震活動情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，對抗震有利、一般、不利和危險地段做出綜合評價。對不利地段，及時和建設(shè)單位溝通，提出避開要求；當(dāng)無法避開時應(yīng)采取有效的措施。對危險地段，應(yīng)嚴禁建造甲、乙類建筑，不應(yīng)建造丙類建筑(《抗規(guī)》3.3.1)。可以看到規(guī)范用了最嚴重的字眼“禁止”及“不應(yīng)”，這是因為憑借現(xiàn)今的建筑科技，任何設(shè)計無法從根本上采取特別有效的措施可以去解決危險場地帶給建筑的不利影響。

選擇較好的場地，一些平坦的空間和均勻的土壤都會有利于抗震結(jié)構(gòu)作用的發(fā)揮，一定要盡量避開液化土和一些河岸邊緣，這些都會非常不利于建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全。合適的場地可以最大程度化解地震帶來的沖擊力，從而盡可能保證整個結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定，使地震對于建筑物造成的損壞降到最低。

建筑結(jié)構(gòu)布置也是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中需要特別注意的一個問題。地震作用時，建筑物承受的往往不是一個方向的地震作用，而是結(jié)構(gòu)附加偶然偏心后的多個方向的地震作用。所以，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員一定要考慮到結(jié)構(gòu)可以同時抵抗不同方向的地震作用，整個建筑物有合理的結(jié)構(gòu)布置，具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中，設(shè)計人員要對基本力學(xué)知識有所掌握。結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算出的構(gòu)件配筋結(jié)果出現(xiàn)超限時，除了對不滿足的構(gòu)件截面通過擴大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面增加剛度調(diào)整；必要時，可嘗試增強周邊構(gòu)件截面剛度，地震作用力會根據(jù)周邊構(gòu)件截面剛度增大進行更多分攤，減小對計算結(jié)果超限構(gòu)件的作用力分攤，使得結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件計算都能滿足。

結(jié)構(gòu)抗震整體計算(剪重比、周期比、位移比等)參數(shù)要嚴格控制，對雙向地震和偶然偏心的計算使用條件要明確。

除此之外，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計前期，一定要和各專業(yè)人員溝通好。對使用功能要求、設(shè)備荷載參數(shù)要仔細了解；設(shè)計計算過程中認真參考設(shè)計規(guī)范(《抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》《抗震設(shè)計規(guī)范》等)，設(shè)計中應(yīng)養(yǎng)成勤于思考的習(xí)慣。對新的理論、規(guī)范的變動和技術(shù)應(yīng)及時學(xué)習(xí)，設(shè)計過程中應(yīng)有如履薄冰的意識，只有這樣才能很好的完成結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。