李铭
云锡集团高级技工学校
摘要：近些年来，地震区频繁出现地震，特别是级别不小的地震次数频频增加，逃生人员的安全成为关注的重点，因此房屋结构满足逃生人员的需要有着重要的现实意义。通过分析近些年不同房屋结构震害的情况，阐述本文的抗震概念，提出通过小震、中震、大震、巨震四个阶段结构验算实现“小震，整体结构不坏；中震，整体结构可修；大震，整体结构不倒；巨震，整体避难单元不倒”的抗震性能，阐述地震避难单元的可用范围，且初步探讨实现上述房屋结构抗震性能的计算方法。
关键词：地震；巨震；房屋震害；避难单元；抗震设计；计算方法
目前为止，房屋结构的抗震能力以三个水准为目标，即“大震不倒，中震可修，小震不坏”。建筑根据功能需求的不同，分为A、B、C、D四类建筑，抗震设置的目标合理的提高或降低，提高房屋结构的整体抗拒震能力来实现“大震不倒”的目标。而近些年来很多地区发生较大地震甚至特大的地震，一部分的地区的地震剧烈程度超过了预估的大烈程度，称为巨震烈度。房屋塌陷、人员伤亡主要在这部分区域发生。在社会条件允许的情况下，如何解决房屋面对巨震烈度的难题。国内专家对此进行深入的研究。某高级工程师针对在地震逃生需要的基础上，首次提出“巨震，避难单元不倒”的抗震概念，以地震逃生为出发点，把房屋设计为地震避难单元与非地震避难单元，在非地震避难单元具有一定的抗震性能之外，地震避难单元具有更强的抗震性能。才能够同时兼顾经济性、地震逃生目标、技术可行性等影响因素。但在实践过程中实现“巨震，避难单元不倒”是一个非常重要且具有现实意义的问题。本文首先对近些年来不同房屋结构震害进行了分析，然后阐述避难单元的设置原则和抗震概念，最后提出实现“巨震，避难单元不倒”的方法。
1.关于震害分析
1.1地震结构物的震害分析
地震结构物房屋包括砌体结构、木结构、钢结构、钢筋混凝土的房屋。根据近些年地震受灾区的观察，砌体结构、木结构、钢结构、钢筋混凝土的房屋，当遇到巨震烈度时，均可出现局部甚至全部倒塌。随着剧烈程度的增加，房屋的破坏严重程度增加。即使已经按照设防要求进行，房屋结构仍不能保证在巨震中保持不倒的性能指标。当房屋所处位置处于断层之上，房屋结构的局部倒塌或整体倒塌很难避免。
1.2地震非结构物的震害分析
在近些年地震发生中，非结构物可能倒塌或破坏，造成人员伤亡，且大多数受难者存在一定的心理阴影。
1.3综合分析
上述的震害实例表明，不管对于各种结构形式的结构物房屋还是非结构物的房屋，为了减少地震对人员产生的伤害和财产损失，均有设置避难单元的必要。
2.关于巨震的设防概念和设置原则
2.1巨震的设防概念
某中学教学楼设防地震烈度时6度，实际地震烈度达9~11度，是巨震烈度，教学楼已经全部塌陷，但是楼梯间没有塌陷，楼梯是由钢筋混凝土构成，在楼梯下的逃生人员得到有效地保护。在巨震的作用下，房屋的局部出现不塌陷的结构单元，可以当作一部分的避难单元，作为逃生人员的庇护所；类似楼梯框架部分的填充墙遭到严重的破坏或倒塌，对楼梯间的人员可能有一定的生命威胁，因此要对地震避难单元的非结构物提出对应的抗震能力要求，避免填充墙倒塌等情况造成人员生理和心理伤害，从而更有效的保护逃生人员；楼梯间仅仅是地震避难单元的一部分，应该根据逃生人员的需要，科学合理的布局地震避难房间、楼梯间、水平逃生通道等，构成一个相对完整的、独立的地震避难、逃生空间系统。
从抗震减灾的角度出发，可把房屋分为非地震避难单元与地震避难单元。地震避难单元与非地震避难单元都需要满足抗震性能目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。允许非地震单元结构物和非结构物在巨震中局部倒塌或破坏，不允许避难单元结构物在巨震中局部倒塌或完全倒塌，不允许避难单元发生非结构物倒塌或火灾等破坏。在面临地震时，逃生人员可以转移到避难单元，从而减少财产损失和人员伤亡。
2.2巨震的抗震原则
地震避难单元是众多单元中少数增加抗震能力的单元，实现减少人员伤亡和财产损失，利大于弊，设防目标对于经济，具有一定的可行性。砌体房屋、框架剪力房屋、框架房屋等各种结构形式可以实现抗震原则：巨震，避难单元不倒。避难人员应根据可能发生的安全目标、逃生人员数量、逃生方式、逃生距离、结构布置、建筑功能等综合确定，如砌体住宅中可把客厅和楼梯间设为避难单元。避难单元即是结构专业抗震，又是各专业在满足安全目标的协同工作，地震避难单元，建筑学专业需要选用抗震性能好的轻钢龙骨隔墙，防止可能发生的砸伤等伤害，设备类的专业采用相对应的措施防止次生伤害。比如房屋结构，在建筑学专业确定避难单元的设置范围后，房屋结构专业应根据房屋抗震的分析需要，选择合适的地震避难单元子结构，选择合适的措施确保子结构在巨震中不会倒塌，从而实现建筑学专业对避难单元的要求，子结构的空间可以大于地震逃生单元空间，α是地震避难单元的子结构面积比。β是地震避难单元的子结构层面积比。用α和β来衡量，0≤β≤1，0≤α≤1.当α=0时，此建筑物内未设置避难单元子结构；当二者都等于1时，避难单元的子结构包含了整个结构，需要根据具体的需求选用更高的抗震性能目标。
3.实现巨震避难单元不倒
要想在面临巨震烈度时，地震避难单元不倒的关键在于增强避难单元子结构抗震性能，使其结构构件在巨震中承受住该种烈度，且不会发生较大的变形，避免地震避难单元的子结构倒塌。现在地震设防规范的抗震性能指标：大震不倒，中震可修，小震不坏，从下表可以看出设置避难单元房屋结构，不仅满足抗震规范的要求，也满足“巨震，避难单元”的要求，高于现行地震设防规范，抗震效果更好。
设置避难单元房屋结构可通过对整体房屋结构和个别地震单元子结构进行抗震验算，从小震烈度进行，然后依依实现小震、大震、中震、巨震四水准的抗震要求。设防小震，可以对整体结构采用线弹性分析的方法，见下列方式：
R1/Y1≥S1，R2/Y2≥YS2
在式中：R1为小震时结构构件的承载能力设计值；S1是小震时结构构件的地震作用荷载效应的组合值；Y1为承载能力的调整系数；S2小震中地震避难单元的子结构结构物的地震作用荷载效应组合值；Y2为使避难单元子结构的荷载效应调整系数；R2是避难单元子结构结构物的承载力设计值，Y2≥1.0。
同理，设防大震对整体结构弹塑性变形进行验算，对于地震避难单元的子结构承载力进行验算，见下列方式：
△u≤[Θ]h，R3≥S3
在式中：[Θ]h代表弹塑性层间的位移角限值；h代表薄弱的层楼层高度；△u代表大震中房屋整体结构弹塑性层间的位移；R3为大震中地震避难单元的子结构结构构件承载力的标准值；S3是小震时避难单元的子结构结构构件地震作用荷载效应的设计值。
对于设防巨震，根据具体情况进行具体分析，满足逃生人员的需求，设置设防目标，应对地震避难单元的子结构进行弹塑性的变形验算，同时对避难单元的子结构承载力进行验算，见下列方式：
△u1≤[Θ1]h1，R4≥S4
在式中：[Θ1]h1代表地震避难单元的子结构弹塑性层间的位移角限值；h1代表地震避难单元的子结构薄弱层楼的层高度；△u1为面临巨震时，考虑其他子结构会对避难单元的子结构作用下弹塑性层间位移；R4代表巨震中避难单元子结构结构物的承载力设计值；S4是在巨震中，考虑其他子结构对避难单元子结构的作用下地震避难单元的子结构构件作用荷载效应的标准值，在需要的时候，可对整体结构与地震避难单元的子结构继续中震验算。
巨震设防会导致局部子结构的一些破坏甚至倒塌，建筑结构的侧移和水平荷载关系图，可以参考图1。在当下的结构技术条件下，很难进行准确的结构分析。在确定建筑材料本构、构建破坏准则和地震时程曲线等基本条件下，对建筑结构对不同地震水平作用引起的动力反应，采用弹塑性动力时程相关分析法，进行全面分析，其计算的结构克作为相关工程的参考依据。从B到F阶段，建筑结构处在塑性阶段，由于诸多因素具有不确定性（如地震时程曲线、建筑材料本构的参数等），即使运用弹塑性时程分析，仍然很难得到精确的结果。由此，在实际工程中可以通过简化计算，例如通过运用Pushover，或是采用比较规范的简单方法进行分析。
论文作者:李铭
论文发表刊物:《基层建设》2015年3期供稿
论文发表时间:2015/9/10
标签：结构论文; 单元论文; 震中论文; 房屋论文; 塑性论文; 不倒论文; 元子论文; 《基层建设》2015年3期供稿论文;