周宇程 孫恩陽(yáng)

（福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002）

引言

隨著我國(guó)改革開放以來(lái)，城市化的進(jìn)程加快，人民生活水平的上升，人們對(duì)建筑質(zhì)量和安全的要求和重視程度也越來(lái)越高。

地震作為自然災(zāi)害的一種，不斷在世界各地造成危害，當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)達(dá)到7級(jí)及以上時(shí)，會(huì)對(duì)人民群眾的生命安全及經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。在2008年5月12日的汶川8.0級(jí)地震，截至2008年9月18日12時(shí)，共造成69227人死亡，374643人受傷，17923人失蹤。這次地震之所以造成如此重大的損失，一方面是由于許多受損房屋建造時(shí)間較早，沒(méi)有經(jīng)過(guò)正規(guī)的抗震設(shè)計(jì)，并且施工質(zhì)量較差；另一方面是因?yàn)楦鶕?jù)中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001中的分類，四川省汶川、都江堰所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汶川地震實(shí)際烈度。所以抗震設(shè)計(jì)對(duì)建筑來(lái)說(shuō)，一直是不可或缺的一環(huán)，發(fā)展好建筑的抗震技術(shù)，不僅可以降低地震對(duì)建筑、人類財(cái)產(chǎn)安全的危害，而且對(duì)維護(hù)社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)展有著重要意義，因此有必要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

目前基于規(guī)范，研究人員提出的抗震設(shè)計(jì)的方法繁多，各有側(cè)重，以至實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)難以選擇。并且隨著時(shí)代變遷，抗震設(shè)計(jì)的思路也發(fā)生了變化，隨著科技、理論發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了很多新的發(fā)展方向需要進(jìn)一步去探索。因此，本文對(duì)抗震設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析目前建筑抗震設(shè)計(jì)的不足，并基于當(dāng)前時(shí)代的科學(xué)技術(shù)，提出了未來(lái)的發(fā)展方向。

一、抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1．抗震設(shè)計(jì)原則

1.1 結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能將整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，提高抗震性能，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以減少?gòu)?fù)雜的力學(xué)計(jì)算，得到比較精確的數(shù)據(jù)，可以更加精準(zhǔn)地分析建筑結(jié)構(gòu)受地震作用的影響，且簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)平衡性能好，便于工作人員設(shè)計(jì)、施工及震后維修，同時(shí)可以減小地震帶來(lái)的危害和損失。如果設(shè)計(jì)復(fù)雜，容易忽視細(xì)節(jié)問(wèn)題，且力學(xué)計(jì)算極為繁瑣，增加設(shè)計(jì)難度和成本，造成材料浪費(fèi)，不利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。比如，為了有效避免建筑結(jié)構(gòu)的變形現(xiàn)象，相關(guān)工作人員在對(duì)民用建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要在建筑平面的主軸方向上確定最適合的強(qiáng)度和剛度，從而使建筑的穩(wěn)定性得到有效保障[1]。

1.2 注重整體性

整體性原則是抗震設(shè)計(jì)原則中最重要的原則之一。因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)建筑場(chǎng)地及自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)等因素從整體出發(fā)，處理好各個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，確保建筑各個(gè)結(jié)構(gòu)連接良好、受力均勻，從而保障抗震效果。不要局限于小部分區(qū)域，忽視整體抗震性，因局部損壞而導(dǎo)致整體破壞，造成“因小失大”的局面。例如，有的設(shè)計(jì)工作人員為了讓建筑的底層有很大的空間，忽視了建筑抗震墻設(shè)計(jì)，就會(huì)致使設(shè)計(jì)方案中，抗震墻空間不齊、大小不均勻，砌體部分和下部的墻體不能完美對(duì)接[2]。

1.3 結(jié)構(gòu)的合理布置

合理布置結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)人員在房屋建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的因素之一，抗震技術(shù)的實(shí)施，是建立在建筑設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)上的[3]。一般來(lái)說(shuō)，高層建筑物主要會(huì)受到來(lái)源于水平方向的荷載或力的作用。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要保證結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不容易被破壞，梁、柱結(jié)構(gòu)分配應(yīng)該合理，保證梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)的時(shí)間盡可能分散。工程師應(yīng)結(jié)合具體的需要選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，按照“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以合理的布置來(lái)保證結(jié)構(gòu)的剛度，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有著極大的保障。

1.4 合理傳力路徑

建筑結(jié)構(gòu)自身傳力路徑清晰是保證結(jié)構(gòu)受力合理的根本。合理的傳力路徑需要依托力學(xué)原則，控制水平向和豎直向的傳力直接，避免在地震作用下某些構(gòu)件出現(xiàn)來(lái)自各方向的力，最大程度上降低地震對(duì)建筑的影響。

2．結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法

基于上述四大原則可以設(shè)計(jì)絕大部分的建筑結(jié)構(gòu)，但是有時(shí)需要設(shè)計(jì)超高層，及特殊結(jié)構(gòu)布置的結(jié)構(gòu)，例如，上海中心等，這時(shí)設(shè)計(jì)就需要結(jié)合試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

目前常用的抗震試驗(yàn)分析方法有擬靜力試驗(yàn)法、擬動(dòng)力試驗(yàn)法以及地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法等[4]。這三種方法基本可以滿足抗震分析，但在實(shí)際的情況中需要結(jié)合需求選擇適當(dāng)方法。

擬靜力試驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)正、反兩個(gè)方向進(jìn)行多次往復(fù)循環(huán)加載和卸載，可以模擬地震時(shí)結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求較低，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，參數(shù)容易確定，使用范圍廣泛，但是不適用于土體剛度在地震過(guò)程中明顯降低及產(chǎn)生液化的場(chǎng)合，不能很好地模擬出真實(shí)的地震效應(yīng)。

地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將試驗(yàn)試件置于振動(dòng)臺(tái)上，輸入地面活動(dòng)，模擬地震對(duì)試件產(chǎn)生的作用，可以很直觀地觀察到在地震時(shí)試件破壞的全過(guò)程及結(jié)構(gòu)破壞的細(xì)致情況，但需要大量的資金投資在設(shè)備上，試驗(yàn)成本高。

擬動(dòng)力試驗(yàn)，又稱“計(jì)算機(jī)—加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)”，是將計(jì)算機(jī)的計(jì)算和控制與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合在一起的一種試驗(yàn)方法[5]。結(jié)合了擬靜力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換，使用作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的位移和相應(yīng)加振力來(lái)反映地震地面加速度，可以反映真實(shí)的地震效果，但仍存在差異。

二、抗震設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

1．建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滯后

我國(guó)發(fā)展至今，遭受了幾次地震帶來(lái)的嚴(yán)重影響，例如，河北唐山大地震、四川汶川大地震、海源地震、四川雅安地震，自此后，國(guó)家對(duì)建筑抗震性能的重視程度明顯提高了很多，在制訂和完善建筑抗震規(guī)范的過(guò)程中，學(xué)習(xí)了大量國(guó)外的抗震標(biāo)準(zhǔn)以及建筑的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論，對(duì)抗震性能進(jìn)行深層次的研究，據(jù)我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，我國(guó)建筑的抗震目標(biāo)是“減輕建筑物的地震破壞，避免人員死亡，減少經(jīng)濟(jì)損失[6]?！痹谶@樣的大前提下，建筑的抗震能力要基本符合三個(gè)要求，“大震不倒，中震可修，小震不壞”。但是我國(guó)建筑業(yè)起步較晚，相比于眾多發(fā)達(dá)國(guó)家，在抗震標(biāo)準(zhǔn)的完善及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用方面仍有著不小的差距。當(dāng)前的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，人們對(duì)于小震的舒適度有更高的要求，對(duì)于中震可修，也提出更高的要修，希望能夠快速修復(fù)，避免造成很多間接損失。例如，九寨溝地震災(zāi)后重建花費(fèi)了大約兩年的時(shí)間。2017年11月8日，九寨溝災(zāi)后重建工作正式啟動(dòng)，2019年9月27日，九寨溝景區(qū)試開園，再度迎客。兩年時(shí)間內(nèi)九寨溝景區(qū)無(wú)法接待游客，間接引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見(jiàn)，人們對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的需求已經(jīng)從過(guò)往的保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，轉(zhuǎn)向了降低地震效應(yīng)提高舒適度，以及加快維修減少震后損失。

2．抗震設(shè)計(jì)與建筑美學(xué)的平衡問(wèn)題

在建筑設(shè)計(jì)中，人們對(duì)于美學(xué)、實(shí)用性以及結(jié)構(gòu)高度方面不斷提出更高要求，這不可避免會(huì)引起結(jié)構(gòu)布置的復(fù)雜性，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，剛心、質(zhì)心雙心不重合。這使得在地震中結(jié)構(gòu)易發(fā)生偏移、扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致建筑的穩(wěn)定性、安全性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段我國(guó)建筑工程抗震設(shè)計(jì)工作主要建立在原有建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系之上的優(yōu)化處理，這導(dǎo)致抗震設(shè)計(jì)存在較多的局限性[7]，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足新時(shí)代建筑的需求。因此，更加需要發(fā)展科技，使得抗震設(shè)計(jì)能夠滿足安全與美學(xué)的平衡。

三、發(fā)展和展望

1．提高結(jié)構(gòu)的延性

延性是抗震性能中至關(guān)重要的要素，延性過(guò)小容易造成由脆性破壞導(dǎo)致的倒塌。延性構(gòu)件在地震的作用下，會(huì)打破原有的超靜定狀態(tài)，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，所以高延性結(jié)構(gòu)可以有效提高抗震能力，并且有良好的吸收地震能量的作用[9]。例如，使用高延性材料，保證結(jié)構(gòu)在彈性形變下，延性不會(huì)有大幅度的變化；在由梁、柱等構(gòu)件所構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)提高梁、柱的延性，提高結(jié)構(gòu)的延性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)平面突變處和轉(zhuǎn)角處的延性，增強(qiáng)薄弱樓板延性，增加首道抗震防線部分的構(gòu)件延性[8]，均可以達(dá)到提升結(jié)構(gòu)整體延性的目的。另外，在剪跨比大于2的情況下，擴(kuò)大柱截面來(lái)減小軸壓比，也是一種提高構(gòu)件延性的措施。新時(shí)代的建筑需要在融入新技術(shù)的同時(shí)保持一定的延性，使得結(jié)構(gòu)具有充分的安全保障。

2．采用高性能新型材料

高質(zhì)量的抗震材料在歷次地震災(zāi)害中比傳統(tǒng)的磚石材料表現(xiàn)得更為突出。材料的選擇對(duì)建筑物的壽命和抗震性能有著重大影響，不同建筑材料有著不同的成分，對(duì)建筑的穩(wěn)定性也有著不同的影響，所以應(yīng)選擇高質(zhì)量的水泥，新型復(fù)合纖維混凝土。比如，ECC的超強(qiáng)韌性使之成為一種很好的消能減震材料，可以在高層建筑中以預(yù)埋件的形式作為消能抗震構(gòu)件使用，有效提高結(jié)構(gòu)的安全[9]。未來(lái)應(yīng)加大發(fā)展新型抗震材料的力度，促進(jìn)抗震設(shè)計(jì)發(fā)展。

3．設(shè)置多道抗震防線

設(shè)置多道抗震防線，在建筑設(shè)計(jì)中可以顯著提高建筑物的抗震性能。比如，一種帶有可更換連接的連柱框架結(jié)構(gòu)體系，與可更換連接相連的兩排連柱構(gòu)成側(cè)向力下的第一道防線，框架結(jié)構(gòu)作為第二道防線。在彈性階段，結(jié)構(gòu)保持彈性；在快速修復(fù)階段，連柱系統(tǒng)的可更換連接發(fā)生剪切塑性破壞；在防止倒塌階段，框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形[10]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，這種設(shè)置多道抗震防線的方法能夠起到更好的抗震效果，特別是在震級(jí)較強(qiáng)、余震較多的情況下[11]。在第一到防線被破壞時(shí)，第二道，第三道乃至第四到防線都可以用來(lái)抵消地震的影響，直到地震停止。以數(shù)量防護(hù)質(zhì)量，提高建筑物的抗震性能。

4．建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)，提高建筑的抗震性能。目前常用的振動(dòng)控制技術(shù)有消能減震技術(shù)和隔震技術(shù)等，可通過(guò)在建筑結(jié)構(gòu)中合理布置減震器及設(shè)置隔震層，吸收地震的絕大多數(shù)能量，來(lái)實(shí)現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的。在振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)中，可以利用共振原理，將地震作用吸收到耗能裝置上[12]。再通過(guò)耗能裝置消耗地震能量，起到減震的效果[13]。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及問(wèn)題總結(jié)，分析抗震設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則和抗震設(shè)計(jì)目前常用的試驗(yàn)方法，指出抗震存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滯后，設(shè)計(jì)與美學(xué)的平衡問(wèn)題，并提出了對(duì)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展和展望，需要在保持一定結(jié)構(gòu)延性的同時(shí)，使用高性能抗震材料，設(shè)置多道抗震防線，發(fā)展建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方法，使得抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題得到有效改善，滿足人們的需求。