文／郭泰寅 蘭州新區(qū)市政設計研究院有限公司 甘肅蘭州 730000

引言：

地震是威脅人類安全的主要自然災害，我國地震區(qū)域分布廣，是地震災害嚴重國家。近幾年我國部分地區(qū)相繼發(fā)生強烈地震，地震是人類難以準確預測的自然災害，發(fā)生地震災害可迅速摧毀城市建筑物?？拐鹪O計是土木工程結構設計的重要部分，是研究土木工程結構的重點。大部分按抗震規(guī)范設計施工建筑物經受地震的考驗，現階段我國某些土木工程項目建設未科學進行結構抗震設計，導致威脅建筑工程質量安全。隨著我國經濟技術的快速發(fā)展，建筑業(yè)得到蓬勃發(fā)展，土木工程結構設計提出更高要求，要保證土木工程建設減輕地震災害，需要將抗震設防工作貫穿于場址選擇，設計施工等各階段。目前對土木工程結構抗震設計已有大量研究，但現有研究不夠系統(tǒng)全面，深入研究土木工程結構抗震設計具有重要意義。

1、土木工程結構抗震設計研究

隨著我國城市建設快速發(fā)展，很多高層建筑出現在城市群中。建筑師創(chuàng)作方案個性追求加大結構復雜性，如何兼顧建筑美觀經濟是結構工程是需要解決的問題。抗震設計是建筑結構設計的主要目標，現代建筑要考慮地震引起經濟損失，抗震設計思想逐步向性能化抗震設計轉變，基于性能的抗震設計需要研究結構超限判定等方面問題。現行規(guī)范是經過大量實驗實踐統(tǒng)計制定的設計原則，目前我國土木工程結構抗震設計結合規(guī)范逐步完善，制定完整的結構抗震設計理論是工程界當務之急。

1.1 土木工程結構抗震設計的重要性

地震是人類繁衍生息中遇到的自然災害，強烈地震會以巨大破壞力為人類生存安全帶來嚴重危害。地震災害占自然災害總數的52%，地震中造成人員傷亡主要因素是房屋倒塌引發(fā)次生災害，抗震設計是預防減輕地震災害的有效措施。全球每年發(fā)生500 萬次地震，6 級以上強震每年發(fā)生100-200 次。全球地震地理環(huán)境位置分為海洋與大陸，發(fā)生陸地地震占15%。地球上地震災害大部分來自大陸地震。大陸地震造成災害占全球的85%，我國大陸地震占全球的33%，我國地震震源淺，構成地震活動頻度高強度大的特征。我國是人口數量最多的發(fā)展中國家，建筑災害抗震能力低，我國省會級城市全部處于地震重災區(qū)，城市人口高度密集，發(fā)生地震會造成巨大經濟財產損失。土木工程結構抗震設計是減輕自然災害，保障人民群眾生命安全的重要問題，研究土木工程結構抗震設計意義重大。土木工程結構抗震設計有助于提高建筑抗震性能，提升結構整體剛度，降低地震對建筑工程的不良影響。

1.2 土木工程結構抗震設計理論發(fā)展

人類研究地震災害歷史源遠流長，日本關東地震造成約14 萬人喪生，唐山地震導致死亡24.2 萬人；汶川地震遇難6.9 萬人?，F代地震學始于精密地震儀出現，經過日美等國家努力形成結構抗震理論，經歷靜力與動力理論階段。充分運用現代抗震科技成就，對土木建筑工程進行有效結構設計，避免造成巨大經濟損失是地震工程研究人員追求的目標。

靜力法產生于上世紀初，在美國舊金山等地大地震中人們提出將地震作用視為建筑物水平力，取為建筑重量乘以經驗性系數。日本關東地震后都市建筑規(guī)范首次增設抗震設計規(guī)定，美國UBC 規(guī)范首版采用靜力法。靜力法未考慮結構動力效應，認為結構隨地基作整體水平剛性移動，產生水平慣性力沿建筑物高度均勻分布。隨著對地震運動性質的了解，抗震設計在五十年代進入動力理論階段，主要方法包括時程分析法，地震反應譜為基礎的振型分解法，靜力彈塑性分析法等。隨著對反應譜理論的研究，各國采用反映結構動力特性的地震反應譜法。美國加州抗震設計規(guī)范采用反應譜理論，認為系數K 與地震力及結構物動力特性有關。荷載決定于施加力與結構壽面，影響地震作用結構力性能包括剛度與質量，可以用結構自振周期T與阻力比e 表示，系數K=a/g·b(T,e),B(T,e)為結構物振動效應，a/g 為地震水平最大加速度與重力加速度比。

1.3 我國土木工程結構抗震設計規(guī)范發(fā)展

抗震規(guī)范編制與各時期抗震設計理論水平密切相關，隨著結構抗震設計理論的發(fā)展，我國抗震設計規(guī)范經歷相應的修改訂。我國土木工程建筑結構抗震設計從學習國外規(guī)范開始，工程抗震研究經歷從無到有的發(fā)展過程，隨著國民經濟建設逐步發(fā)展，體現從解決工程實際問題中發(fā)展的經驗。目前我國建立土木工程結構抗震設計規(guī)范，改革開放后，人們生活水平顯著提高，建筑抗震設計安全度要求不斷增加?？拐鹪O計規(guī)范將工程中新技術工藝等系列最新科技成果及時納入，每次地震發(fā)生后工程技術人員要分析地震原因修改現行規(guī)范。我國抗震設計規(guī)范制定與國內工業(yè)區(qū)地震帶發(fā)展及抗震科研水平密切相關。GB50011-2010 規(guī)范強調與其他規(guī)范協(xié)調，符合國家現行有關規(guī)范規(guī)定。密切規(guī)范中有些規(guī)定不夠具體明確，存在設計方法有待改進，鋼筋砼框架結構抗震設計方法有待探討，豎向地震作用力對結構影響需要研究等不足。需要結合工程實踐深入研究土木工程結構抗震設計技術理論，為建筑工程結構抗震設計提供指導參考。

2、基于性能的土木工程結構抗震設計分析

2.1 PDSB 理論框架

基于性能的抗震設計理論是美國工程界提出，各國開展廣泛深入的研究。主要內容包括理論定義與個性化結構目標性能等。美國SEAOC 等組織定義指選擇設計標準合理規(guī)劃結構比例，控制監(jiān)造質量與維護水平，使結構破壞不超過特定極限狀態(tài)。ATC 定義為結構設計標準可取得結構性能目標表示，基于不同強度地震作用得出性能目標，采用彈性靜力分析得到系列性能水平，不同結構形式采用不同性能水平。基于性能抗震設計理論以投資效益準則為依據，針對不同地震作用水平設置合理的抗震目標性能。（圖1）

圖1 結構壽命周期總費示意圖

在傳統(tǒng)抗震設計思想理論基礎上，我國學者提出結構分災抗震設計方法，經過近百年的科學研究，人們對結構抗震設計概念經歷系列發(fā)展變化，包括剛柔性結構體系與結構控制體系。剛性結構體系是增加結構尺寸形成大的剛性整體，使結構高度跨度受到限制。柔性設計可以減小結構地震效應，但大地震下結構破壞引起倒塌。延性結構體系設計較為普遍，通過設計構件塑性變形鉸使結構件消耗地震能量。結構控制體系是在特定部位安裝裝置改變結構在地震下動力特性。結構分災抗震設計思想認為可將結構系統(tǒng)設計分為主體與分災元件，分災元件由分災子結構與構造措施等逞，地震作用下破壞損失較小。結構體系主體結構與分災元件共同發(fā)揮作用，結構分災元件通過分災模式改變結構動力特性，保證主體結構安全，確保結構體系正常使用功能。分災抗震設計結構體系層次明晰，通過分災元件高效失效提高主體結構抵御地震災害能力。

2.2 PBSD 實現方法

自90年代基于性能抗震設計思想提出產生眾多設計理論方法，目前PBSD 設計法延續(xù)結構設計理論體系，包括基于能量與位移設計法。結構分在抗震設計要遵循投資效益準則，結構可靠度理論等原則。由于結構形式多樣，實際工程中要根據建筑實際情況研究，有效實現結構分災功能。應根據結構總體性概念設計原則進行整體優(yōu)化設計，基于投資效益準則尋求使結構初始造價等指標在使用中達到優(yōu)化平衡的設計方案。充分考慮設計中不確定因素，保證結構安全性。分災元件通過不同模式實現抗震防線。（表1）

表1 鋼筋砼結構三水準抗震設計損傷性能目標

地震是不規(guī)律的往復作用，結構損傷是導致結構破壞的直接原因。首次超越破壞是地震下結構強度超過最大極限發(fā)生破壞，累積損傷是地震荷載下因損傷積累導致破壞。結構在地震下塑性非線性變形成為工程抗震研究的重要方向。Park 對大量混凝土梁疲勞破壞實驗分析，提出彈塑性變形參數損傷模型。基于損傷設計方法考慮結構在大震驗算時低周疲勞累積損傷，理論發(fā)展依賴于混凝土損傷理論研究，現階段研究成果難以應用到工程實踐中?；谖灰频目拐鹪O計是加州大學教授提出，結構進入彈塑性變形階段，位移是控制結構狀態(tài)的主要指標。結構在地震下破壞度與結構變形能力有關。與結構變形相關指標評價建筑物工作狀態(tài)比較合理?；谖灰频目拐鹪O計是直接使用預先確定位移指標，目前實現途徑包括直接基于位移法，延性系數法等。

3、土木工程結構抗震設計技術方法

我國是多地震國家，如何減輕地震災害造成經濟損失是工程技術人員關注的問題。要借鑒國外先進抗震設計思想，嚴格按照抗震規(guī)范設計建造工程減輕地震災害。建筑結構抗震規(guī)范是各國建筑抗震經驗權威性總結，反映各國經濟建設時代水平，向技術經濟合理方向發(fā)展，要將建筑工程安全性放在首位，現代規(guī)范條文列為強制性條文，新建筑抗震設計規(guī)范頒布實行，在技術水平等方面有較大提升，但仍存在部分缺乏用語規(guī)范等缺陷。土木工程結構抗震設計需要把握相關要素，依據現行規(guī)范結合工程實際采取有效的抗震設計方法。

3.1 土木工程結構抗震設計要素

近年來我國發(fā)生地震頻繁，建筑師日益重視土木工程結構設計，建筑土木工程結構設計中要注意保證結構形狀科學合理，保證設計豎向均勻性，保證結構規(guī)劃整齊性。土木工程結構抗震設計要避免復雜系統(tǒng)設計，通過對設計土木工程結構受力分析進行設計。要考慮利用土木工程結構外形結構降低對建筑物損害度，提高土木建筑整體抗震性。土木工程結構設計中要參照相關行業(yè)標準等進行設計，要滿足抗震結構形成的連接關系，如隔板與主體留下銜接空間使結構傳力穩(wěn)定，達到提高抗震性能的目的。結構受力需要有詳細的數據支撐。

豎向設計均勻性在結構設計中非常重要，保證豎向結構尺寸合理，確保分隔層間均勻才能得到較好的橫隔層設計。如洞口開設不規(guī)則由于外力對結構剛度造成損害。在土木建筑設計中要保證結構剛度，有效吸收地震帶來的能量。主觀因素對土木建筑設計質量有很大影響，孟美岐國內土木建筑設計人員專業(yè)技術理論素質有待提高，無法對各種不利因素全面分析，不利于建筑結構設計質量安全。我國部分地區(qū)處于地震高發(fā)地帶，不合理的建筑設計威脅人們的生命財產安全。土木建筑工程設計人員要具備專業(yè)技能，保證設計安全可靠的建筑工程。

3.2 土木工程結構抗震設計技術措施

土木工程結構建筑抗震設計要注意合理利用隔震消能原理，科學選擇建筑材料，提高結構設計人員的專業(yè)技能水平。建筑材料選擇在土木建筑設計中起到基礎作用，建筑材料選擇不當會影響土木工程結構質量，選用建筑材料強度過高會加大成本支出，高強度建材具有更大質量影響建筑美觀。鋼材料是土建工程使用普遍材料，在土木建筑工程設計中要根據結構要求確定鋼筋性能參數，在結構鋼筋選型時考慮不同方向受力，分析建筑工程成本等因素選擇適宜的鋼筋材料。

土木建筑工程設計是建筑物建設的重要環(huán)節(jié)，可以滿足建筑外形美感要求。土木工程建設需要考慮多方面因素，要根據土木建筑需求收集相關地震資料，前期工程對后期建設有很大的影響。要保證建筑物地震防災功能提高結構穩(wěn)定性，結構設計遇到不規(guī)則工程應采取合理措施，主要承載力部位考慮使用抗震結構提高抗震性能。隔震體系可以減輕地震對結構產生的危害，在土木建筑工程結構抗震設計中要利用發(fā)生實際案例，隔震體系采用大量橡膠隔震支座，具有較長結構自振周期，可以有效提高地震損害抵抗作用，達到預期防震效果。土木建筑工程結構設計中需要專業(yè)人才進行分析，土木建筑工程企業(yè)要與高校開展合作型教學培養(yǎng)，提高土木工程專業(yè)學生動手實踐能力，通過多樣化培訓豐富專業(yè)知識。土木建筑工程企業(yè)要積極引入高素質專業(yè)人才，保證土木建筑工程結構設計科學性。

結語：

隨著社會經濟的發(fā)展，地震中人員傷亡損失不斷加大。建筑物防震設計是減輕地震災害的游俠歐途徑?？拐鹦阅茉谕聊竟こ探Y構性能中占據重要地位，抗震性決定土木建筑使用壽命。隨著我國建筑抗震設計規(guī)范的實施，新抗震設計規(guī)范對土木工程結構抗震設計提出更高的要求。土木建筑工程抗震設計中要遵循合理原則，需要廣大工程技術人員結合工程實踐依據標準規(guī)范，綜合考慮多方面因素合理優(yōu)化設計，保證土木建筑工程性能安全。設計者在詳細設計中要保持嚴謹態(tài)度，設計符合施工要求的圖紙，保證建筑工程施工質量安全。