張麗

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000）

1 概述

建筑是滿足人們生活、生產(chǎn)的空間。對于個人，建筑提供了一個抵御自然災(zāi)害與惡劣環(huán)境的居所、提供一個宜居的環(huán)境、豐富了精神世界；對于社會，建筑標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)化提高了生產(chǎn)效率、提供了精神約束與引導(dǎo)、提供了人類社會活動的場地基礎(chǔ)等。因此，建筑質(zhì)量與人們的生命安全、財(cái)產(chǎn)安全及文化傳承有著直接的聯(lián)系。

中國處于亞歐板塊與太平洋地震帶的交界處，地震活動有著震級等級強(qiáng)度大、范圍廣、頻率高的特點(diǎn)。地震發(fā)生具有偶然性，具體什么時(shí)候發(fā)生，目前還沒有技術(shù)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測到。如果地震發(fā)生，建筑物受到地震的破壞是巨大的，它會造成財(cái)產(chǎn)和人員的損失。因此，抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組成部分，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個設(shè)計(jì)過程的重點(diǎn)?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中提到，“由于地面運(yùn)動的不確定性、地震的破壞效應(yīng)和結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)制的復(fù)雜性，以及結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的假設(shè)與實(shí)際存在不同的情況，至此，根據(jù)規(guī)定的地震作用對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，無論計(jì)算理論和計(jì)算工具發(fā)展到什么程度，計(jì)算方法有多嚴(yán)格，但是計(jì)算結(jié)果總是相對粗略的估計(jì)”。雖然目前國內(nèi)的抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果比較粗略，但從工程災(zāi)害的角度來看，這種抗震驗(yàn)算是科學(xué)有效的，要重視。其既提高了建筑物的抗震能力，同時(shí)又保障了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 抗震設(shè)計(jì)

2.1 抗震概念設(shè)計(jì)

由于地震作用的不確定性以及自身的一些復(fù)雜因素，使得結(jié)構(gòu)計(jì)算難以完全反映真實(shí)的地震運(yùn)動和結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)。因此根據(jù)實(shí)際震害和工程經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)和試驗(yàn)研究等形成基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)理念，建筑物和構(gòu)筑物的總體布局和詳細(xì)結(jié)構(gòu)應(yīng)做好準(zhǔn)備，避免不利于結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)體系選擇、場地選擇、建筑平面造型布局、建筑立面造型，細(xì)部設(shè)計(jì)做到強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、樓梯抗震等。

抗震概念設(shè)計(jì)中選擇有利于抗震的建筑場地，是減輕地震災(zāi)害的第一道工序。要求建筑物的選址應(yīng)基于工程需要、地震活動、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)，盡量選擇有利于建筑物抗震的位置，避開不利的危險(xiǎn)地段。為減弱地面運(yùn)動傳遞給上層建筑的地震破壞力，平均剪切波速較大的固體場地為首選，并且薄的場地土覆蓋層可以減少柔性建筑的地震損傷。

建筑物的動態(tài)性能基本上取決于建筑物的形狀和布局，科學(xué)的建筑形狀和布局可以增強(qiáng)建筑的抗震性能。因此，合理的建筑形狀和布局在抗震設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。在抗震設(shè)計(jì)中平面和立面的簡單對稱是抗震性能最好。應(yīng)采用規(guī)則的建筑平面、剛度變化均勻的立面和豎向剖面。應(yīng)采用平面和立面的外形尺寸以及抗側(cè)向力構(gòu)件規(guī)則布置、質(zhì)量分布規(guī)則布置。當(dāng)采用不規(guī)則建筑按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行加固，對特殊不規(guī)則建筑加強(qiáng)研究與論證必要時(shí)進(jìn)行超限分析，采取特別的加強(qiáng)措施，不應(yīng)使用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑物。

結(jié)構(gòu)體系抗震是抗震設(shè)計(jì)中的一個核心問題。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)基于建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件、地基基礎(chǔ)、建筑材料及施工工藝技術(shù)，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件等的綜合比較?？拐鹪O(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)體系有明確的傳力路徑、多道抗震防線、抗震承載能力、良好的變形能力、耗能能力、合理的剛度分布、合理的承載能力分布、規(guī)則的平面布置、均勻的立面布置等。

抗震設(shè)計(jì)中提高結(jié)構(gòu)延性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的變形能力，防止地震作用下結(jié)構(gòu)倒塌。結(jié)構(gòu)良好的延性可以減弱地震對建筑物的作用，減少地震能量的傳遞，使建筑物不倒塌。構(gòu)件破壞的形態(tài)和塑性化過程，決定了結(jié)構(gòu)延性和耗能大小。受彎構(gòu)件的延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于受剪構(gòu)件的延性，并且構(gòu)件彎曲破壞需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于構(gòu)件剪切破壞需要的。因此，設(shè)計(jì)遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱錨固”的原則[1]。

2.2 抗震性能化設(shè)計(jì)

據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，對滿足規(guī)范適用條件的建筑結(jié)構(gòu)采用“三水準(zhǔn)，兩階段”的抗震設(shè)計(jì)方法，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)；第一階段為承載力和剛度，第二階段為通過罕遇地震下結(jié)構(gòu)薄弱層（部位）彈塑性變形驗(yàn)算及構(gòu)造措施以滿足“大震不倒”的兩階段設(shè)計(jì)。

“三水準(zhǔn)，兩階段”這是一項(xiàng)旨在確保人身安全的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。由于城市建設(shè)不斷發(fā)展，城市人口密度增加、城市設(shè)施建筑物日益復(fù)雜。單純的“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)只能保證建筑物地震發(fā)生后不倒塌，沒有辦法保證建筑物繼續(xù)使用，無法減少經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)該根據(jù)社會和業(yè)主對建筑抗震性能多層次需求，控制地震對建筑物和設(shè)備破壞程度，保證建筑經(jīng)歷過地震后能恢復(fù)正常的生活生產(chǎn)功能，減少震害對于社會經(jīng)濟(jì)帶來的損失?？拐鹪O(shè)計(jì)中，要求建筑物抗震設(shè)防要高于或不低于“三水準(zhǔn)，兩階段”的基本設(shè)防目標(biāo)，滿足社會和業(yè)主對建筑抗震性能的要求。

建筑抗震性能化設(shè)計(jì)根據(jù)工程的具體情況，確定合理的抗震性能目標(biāo)、采取恰當(dāng)?shù)挠?jì)算和抗震措施，實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)的要求?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)不得低于“三水準(zhǔn)，兩階段”的設(shè)防目標(biāo)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)應(yīng)分析結(jié)構(gòu)方案高度、平立面規(guī)則性、結(jié)構(gòu)體系、場地條件、建筑重要性等特殊性，選擇合適的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，并采取相應(yīng)的抗震措施。結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)分為四個級別：A、B、C、D（表1），結(jié)構(gòu)的抗震性能分為五個水準(zhǔn)：1、2、3、4、5（表2），每個性能目標(biāo)對應(yīng)于指定地震地面運(yùn)動下的一組結(jié)構(gòu)地震性能水準(zhǔn)。不同的抗震性能目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求不同。小震不壞，所有構(gòu)件處于彈性階段；中震大震根據(jù)不同性能水準(zhǔn)構(gòu)件處于彈性、不屈服、屈服或者破壞狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)要求詳見表3[2-4]。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

表2 不同性能水平下結(jié)構(gòu)的預(yù)期震后性能

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

2.3 抗震概念設(shè)計(jì)與抗震性能化設(shè)計(jì)

抗震概念設(shè)計(jì)主要通過抗震措施和建筑的平面、立面和剖面規(guī)則、結(jié)構(gòu)體系、內(nèi)力調(diào)整、多道防線等讓建筑達(dá)到“三水準(zhǔn)，兩階段”基本設(shè)防目標(biāo)。

概念設(shè)計(jì)中不能直接驗(yàn)算中震，通過設(shè)防烈度降低對建筑的彈性承載力和彈性變形驗(yàn)算。用“規(guī)則性控制+彈性計(jì)算+內(nèi)力調(diào)整+構(gòu)造措施”，間接實(shí)現(xiàn)中震可修和大震不倒?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)中，大震不倒，不適用于要求震后連續(xù)使用的生命線工程，對超限工程也沒有具體設(shè)計(jì)方法。盡管根據(jù)建筑的重要性分為甲乙丙丁類，但彈性設(shè)計(jì)的本質(zhì)沒變。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法是高延性大變形，盡管避免了倒塌保存了結(jié)構(gòu)，但附屬設(shè)施破壞嚴(yán)重，對于使用功能不能中斷的建筑是不可行的。

對于復(fù)雜工程抗震性能設(shè)計(jì)是主要設(shè)計(jì)手段。抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)是大于或等于最基本的抗震性能目標(biāo)“三水準(zhǔn)，兩階段”?，F(xiàn)行的“四目標(biāo)，五水準(zhǔn)”的性能設(shè)計(jì)具有多級性、全面性、靈活性的特點(diǎn)[5]。

多級性，性能設(shè)計(jì)對五個性能水準(zhǔn)進(jìn)行組合。要求不同構(gòu)件在小震、中震和大震作用下結(jié)構(gòu)性能不同。多級抗震性能設(shè)計(jì)可以有選擇性地控制建筑震后是否能夠繼續(xù)使用，控制地震造成的經(jīng)濟(jì)損失。此外，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其內(nèi)部設(shè)施的損壞或破壞占經(jīng)濟(jì)損失的非常大比例，在設(shè)計(jì)中也將進(jìn)行綜合分析。

全面性，結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)選定，可不用直接選擇結(jié)構(gòu)規(guī)范中的性能指標(biāo)，可按照實(shí)際需要、業(yè)主要求和建筑經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面的原因。通過科學(xué)論證選取合理的性能目標(biāo)，這樣設(shè)計(jì)能夠預(yù)測在地震發(fā)生時(shí)建筑物的抗震能力和震后建筑的破壞程度。

靈活性，重要的參數(shù)有取值區(qū)間，如層間位移和地震作用，給設(shè)計(jì)者和業(yè)主提供了更大的靈活性。設(shè)計(jì)者能在滿足性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上有選擇地采用不同的設(shè)計(jì)方案。因此，有利于新材料和新技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

2.4 實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則，建筑使用功能和附屬設(shè)施功能的要求、投資大小、震后損壞和修復(fù)難易程度等，經(jīng)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)可行性綜合分析和論證后確定。

由于房屋的重要性程度及建筑使用功能不同結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)防目標(biāo)不一致，按照具體情況具體分析，采取適當(dāng)?shù)目拐鸫胧?。根?jù)工程的需要和可行性，可針對整個結(jié)構(gòu)，也可針對部分或關(guān)鍵構(gòu)件，靈活使用各種抗震措施，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)抗震能力，滿足使用功能要求?？紤]到強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)非線性分析方法計(jì)算模型選擇和參數(shù)的設(shè)置，目前還缺乏從強(qiáng)震記錄、設(shè)計(jì)和施工資料到實(shí)際震害的驗(yàn)證，難以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)性能。因此，性能目標(biāo)的選擇應(yīng)側(cè)重于安全考慮。

為了達(dá)到性能目標(biāo)要求，需要構(gòu)件達(dá)到在不同地震等級（中、大震）下的承載力、變形和結(jié)構(gòu)等具體指標(biāo)。設(shè)計(jì)中有兩種抗震的思路。第一種僅增加承載力時(shí)，安全性相應(yīng)提高，但變形能力可能不滿足，即“高彈性，低延性”；第二種僅增加變形能力，結(jié)構(gòu)在小中地震作用下的損壞程度不會發(fā)生變化，反而提高了結(jié)構(gòu)在大地震作用下的抗倒塌能力，即“高延性，低彈性”。兩種設(shè)計(jì)思路各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中往往側(cè)重于提高承載能力，推遲構(gòu)件進(jìn)入塑性工作階段。必要時(shí)需要提高剛度增加結(jié)構(gòu)變形能力，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在中震、大震下進(jìn)入彈塑性的程度加以調(diào)整。

各項(xiàng)性能目標(biāo)，為了保證結(jié)構(gòu)的完整性，樓蓋體系必須有足夠安全的承載能力，在地震中樓板均處于彈性狀態(tài)。否則，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。為了避免發(fā)生脆性破壞，要求“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱錨固”。性能目標(biāo)中抗震構(gòu)和混凝土抗震構(gòu)造措施對應(yīng)，“基本要求”對應(yīng)四級抗震構(gòu)造要求，低、中、高和特種延性要求對應(yīng)三、二、一和特一級抗震等級構(gòu)造要求?？紤]到抗震的不確定性，設(shè)計(jì)中適當(dāng)提高建筑延性。

抗震性能化設(shè)計(jì)就是在剛度、強(qiáng)度、變形能力和實(shí)現(xiàn)成本之間尋求最佳的平衡點(diǎn)。

3 結(jié)語

抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要一環(huán)，保證了建筑的安全性?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)和性能化設(shè)計(jì)是優(yōu)勢互補(bǔ)，相得益彰，不是誰優(yōu)誰劣，誰取代誰。目前，在非線性計(jì)算模型和參數(shù)的選擇中仍然存在經(jīng)驗(yàn)不足因素，并且難以準(zhǔn)確地判斷結(jié)構(gòu)性能，且相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多，基于性能的設(shè)計(jì)有效性缺乏從強(qiáng)震記錄、設(shè)計(jì)和施工數(shù)據(jù)到實(shí)際地震破壞的驗(yàn)證，所以說抗震概念設(shè)計(jì)法依然是適用面最廣的可靠的抗震設(shè)計(jì)主流方法。