沈阳市给排水工程勘察设计研究院有限公司
摘要：大量的地震灾害调查研究表明，一个良好的建筑抗震结构，必须在总体设计方案的初始阶段，就将抗震性能设计融于其中，逐步形成抗震概念设计思想。概念设计是一项系统工程，贯穿于抗震设计的全过程，其内容纷繁、复杂、综合性极强，需要设计人员认真研究、细心体会，才能使构造的抗震性能收到较好的效果。
关键词：震害；抗震概念设计；抗震措施
一、建筑抗震设计思想
20世纪70年代以后，随着技术的进步及对抗震概念的深化认识，建筑结构设计提出了“抗震概念设计”，并越来越意识到它比计算设计，构造设计更为重要。设计者们曾一味地追求计算的“精确”，然而由于地震本身的随机很强，在某一地区，某一基准期内，可能出现最大地震动是随机变量，事先无法预知，地震动的影响次数少，作用时间短，各次地震的强度差异很大。对于结构工程师而言：结构的抗震设计与结构抗御其他荷载作用的设计不同，在进行抗震设计时，必须要清楚地震作用有别于其他荷载的特殊性，进而准确理解与把握符合这一特殊情况的结构设计基本原则，即结构抗震设计思想。
建筑抗震概念设计在地震区的建筑抗震设计中是非常重要的，应贯穿于抗震设计的各个环节：当遭受低于本地区抗震遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能破坏，经一般修理或不需要修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不至倒塌或发生危及生命的严重破坏。
“小震不坏、中震可修、大震不倒” 三个水准设防目标是多层和高层钢筋混凝土房屋，多层砌体房屋和底部框架、内框架房屋，多层和高层钢结构房屋，单层工业厂房，单层空旷房屋，土木结构房屋结构抗震设计应遵循的要点。建筑抗震设计规范的三个水准设防目标是通过“两阶段设计”来实现的：其方法和步骤是第一阶段设计在多遇地震烈度的地震作用下，通过验算构件抗震承载力及弹性变形以保证小震不坏，中震可修的要求；第二阶段设计在罕遇地震烈度的作用下，通过验算结构薄弱部位弹塑性变形并采取相应的构造措施保证大震不倒。地震造成大量房屋倒塌、损坏，精确的计算保证不了建筑物不遭受地震的破坏和震害。作为一名结构工程师应认真学习《建筑抗震设计规范》，深刻理解所规范的抗震概念设计原则和思想实质，针对历次地震害的情况，总结经验教训。
二、地震震害经验与启示
邢台、海城、唐山、汶川等历次地震震害，无数房屋倒塌，人员伤亡惨重，震区及周边地区出现大量的断裂带、喷水冒沙，井喷、滑坡、泥石流、崩塌、地基沉陷、岩溶洞陷落等，其破坏的共性和规律性体现在以下几方面
1、场地地基方面
（1）断层错动、滑坡、地陷等地面变形对建筑物破坏严重。
（2）沙土液化引起地基不均匀深陷，导致上部结构破坏或整体倾斜。
（3）在具有深厚软弱冲积土层上，高层建筑的破坏率显著增高。
（4）当建筑的基本周期与场地卓越周期相近时，破坏程度将因共振效应而加重。
2、房屋体型方面
（1）平面复杂的房屋，如L形，，Y形等，破坏率显著增高。
（2）大底盘的高层建筑，裙房顶面与主楼相接处楼板面积突然减的楼层，破坏程度加重。
（3）房屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑，底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生而发生剪切破坏。
（4）相邻结构或毗连建筑，因相互间缝隙宽度不够而发生碰撞破坏。
3、结构体系方面
（1）相对于框架体系而言，采用框架-墙体系的房屋，破坏程度较轻，填充墙的建筑装遭破坏程度差。
（2）采用“框架+填充墙”体系的房屋，在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时，柱上端易发生剪切破坏；外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束发生短柱剪切破坏。
（3）采用钢筋混凝土板柱体系的房屋，因楼板冲切破坏，或楼层侧移过大，柱顶，柱脚破坏、各层楼板坠落，重叠在地面。
（4）采用“底部纯框架+上部砌体结构”体系的房屋，相对柔弱的底层，破坏程度十分严重；采用“框架结构+填充墙”体系的房屋，当底层为开敞式的纯框架，底层同样遭到严重破坏。
（5）采用单跨框架结构体系的房屋，因结构整体冗余度较少强震作用下易发生整体倒塌。
4、刚度分布方面
（1）采用L形、三角形等不对称平面建筑，地震因发生扭转振动而使震害加重。
（2）矩形平面建筑，电梯间竖筒抗侧力构件的布置存在偏心时，同样因发生扭转振动而使震害加重。
5、构件形式方面
（1）钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙（连梁）常发生斜向裂缝成交叉裂缝。
（2）在框架结构中，绝大多数情况下，柱的破坏程度重于梁和板。
（3）钢筋混凝土框架，如在同一楼层中出现长、短柱并用的情况，短柱破坏严重。
（4）配置螺旋箍的钢筋混凝土柱，当层间位移角达到很大数值时核心混凝土仍保持完好，柱仍具有较大的竖向承载能力，配置方形箍的钢筋混凝土柱，箍筋崩开，核心混凝土破碎脱落。
6、非结构方面
（1）刚度较大的砖砌体填充墙平面布置不合理，易导致建筑平
面刚度分布不均发生扭转破坏；竖向布置不合理易导致竖向刚度突变，产生薄弱楼层破坏；局部布置不合理，容易使框架柱形成短柱，产生剪切破坏。
（2）附着于楼屋面的机电设备，女儿墙等非结构，地震时易倒塌或脱落伤人，设计时，应采取与主体结构可靠的连接与锚固措施。
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三、抗震概念设计的几方面内容
概念设计是指一些在计算中或规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。例如：结构破坏机理的概念，力学概念以及震害试验现象等总结提供的各种宏观和具体的经验等，这些概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，也体现在计算简图及计算结构的处理中，建筑结构的抗震设计是以现有科学水平和经济条件为前提的。目前地震及结构所受的地震作用还有许多规律未被认识，人们在总结历次大地震灾害经验中认识到：一个合理的抗震设计在很大程度上取决于“概念设计”。概念设计主要有如下几点：
1、工程场址的合理选择
选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质的地震地质的有关资料，对抗震有利、不利的危险地段作出综合评价。对不利地段应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施；对危险地段，严禁建造甲、乙类建筑，不应建造丙类的建筑“
2、建筑结构布置原则
（1）建筑的体型力求简单，规则，对称，质量和刚度变化均匀。
（2）选择合理的结构体系。其：A、具有明确的计算简图和合理的传递途径；B、具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或重力荷载的承载能力；C、应具备必要的强度良好的变形能力和耗能能力；D、具备合理的刚度和强度分布避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生多大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位应采取措施提高抗震能力。
（3）抗震结构的各类构件应具备必要的强度和变形能力（或延性）。
（4）抗震结构的各类构件之间应具备可靠的连接。
（5）抗震结构的支撑系统应能保证地震结构时的稳定。
（6）非结构构件（围护墙、隔墙、填充墙）要合理布置。
四、结构抗震的几点措施：
1、砌体结构。
砖砌体为脆性材料，抗拉、抗剪强度较低，抗压强度较高，从结构布置上应当使砌体构件尽量受压而不受弯曲或拉力。多层砌体房屋的结构，其自身的特殊性，加强构造措施更为重要。
（1）砌体结构的抗震性能需要严格的构造措施和施工质量给予保证，合理设置钢筋混凝土构造柱和圈梁、加强构造柱和承重墙的安全储备，对于局部部位加强墙体连接构造，是多层砖房有效的抗震措施之一。
（2）板的整体性是必须要予以重视的，板与墙体拉结可提高墙体的整体性，减少倒塌的危险程度，只有保证预制楼板的有效拉结和搁置长度、或增加现浇层、采用现浇楼盖等措施，才能提高房屋的整体抗震性能。
（3）注意：纵墙是砌体结构薄弱环节，预制板搭在外纵墙上，以混凝土梁代替横墙，梁端搭在纵墙上，这种支撑方式很容易在地震中随着纵墙的破坏倒塌而导致整个结构倒塌，纵墙搭梁的这种结构设置方式要尽量避免，无法避免时应根据规范要求采取的纵墙加强措施。
2、框架结构：
框架结构体系是指沿房屋的纵向和横向，由梁、柱构件通过抗弯节点连接构成，既能承受竖向力，也承受水平力的结构体系。这种体系适用于多层建筑及高度不大的高层建筑。框架结构的震害的统计现象一般是梁轻柱重，柱顶比柱底严重，尤其是柱角和边柱更易发生破坏，普通柱一般是柱端发生弯曲破坏，水平或斜向断裂，重者混凝土压酥、钢筋外露、压屈和箍筋崩脱。剪跨比较小的短柱易发生剪切型的脆性破坏。当节点核心区箍筋约束不足或无箍筋约束时，节点和柱端破坏合并加重。强度较高的填充墙的不合理砌筑，往往会导致普通柱因侧向变形受到约束而形成短柱。
框架结构可通过合理的设计和构造措施，加强延性设计，使结构具有良好的抗震性能：
（1）强柱弱梁措施：主要是通过人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使塑性铰出现在梁端而不是柱端，让结构在地震引起的动力反应中形成粱铰机构或梁柱铰机构，通过框架梁的塑性变形来消耗地震能量。
（2）强剪弱弯措施：用剪力增大系数增大梁端、剪力墙洞口连接端、柱端以及梁柱节点中的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪截面控制条件验算受剪承载力设计，以减少梁结构出现脆性的剪力破坏。另为保证柱具备足够的延性，当剪跨比大于2的短柱应沿全高加密箍筋，并优先考虑采用复合螺旋箍或井字复合箍。当剪跨比小于1.5的短柱应进行专门的加强措施，以此来提高柱子的承载能力，加大变形能力。
（3）强节点、强锚固：节点区域受力复杂容易发生破坏，节点的可靠与否是关系到梁柱能否可靠工作的前提，钢筋的锚固的好坏及节点施工的措施保证是构件能否发挥承载力的关键。
（4）非结构构件：框架结构的维护墙和填充墙，应考虑其设置对结构抗震的不利影响，适应主体结构不同方向的层间位移，避免造成主体结构破坏。与柱脱开、采用柔性连接，采取措施保证墙体稳定、设拉结筋、水平系梁、圈梁、构造柱等。
3、剪力墙结构（包括框架-剪力墙结构和框架-筒体结构）
剪力墙结构体系是利用建筑物钢筋混凝土墙承受竖向和水平，它在自身平面内刚度大、强度高、整体性好，在水平荷载作用下侧向变形小，抗震性能较强。在国内的历次大地震中，剪力墙结构体系表现出良好的抗震性能，震害较轻。根据已获得的震害调查结果推断，剪力墙结构在非结构构件的震害方面轻于框架结构，是一种较好的抗震结构形式。合理设计剪力墙使之具有良好的延性和耗能能力：强墙肢弱连梁，强剪弱弯、限制墙肢轴压比。限制剪力设计值。避免墙肢出现脆性破坏。
4、工程建设的监督和管理
对工程建设的监督和管理仍需加强，避免在设计和施工环节出现不符合抗震规范的建筑工程。在设计方面，应加强结构抗震体系和概念设计的教育，并在抗震构造措施方面严格执行设计规范的规定，如构造柱和圈梁设置要求，预制板的拉结要求，最小配筋率和最小配箍率要求，箍筋弯钩和箍筋间距要求等。在施工方面，应严格保证工程材料质量、混凝土级配、浇筑措施，钢筋构造措施的实现等，保证工程施工质量。
五、结束语
为了保证结构具备有足够的抗震可靠性面对建筑工程结构做的概念设计，要求建筑师，结构工程师根据新抗震规范运用好抗震概念设计做到：结构功能与外部条件一致，充分深刻理解掌握抗震概念设计实质，结合我国的整体抗震防灾水平，发挥结构的功能与经济的协调作用，利用定量的计算进行抗震分析，用概念判断设计的合理性。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范GB50011-2001. 北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2]建筑震害与设计对策 北京：中国计划出版社，2009。
论文作者:崔若竹
论文发表刊物:《基层建设》2015年6期
论文发表时间:2016/9/1
标签：结构论文; 概念论文; 措施论文; 建筑论文; 房屋论文; 构件论文; 框架论文; 《基层建设》2015年6期论文;