1、建筑抗震概念设计的内涵与应用 杨德银 合肥工业大学建筑设计研究院 摘 要： 地震是一种常见的自然灾害, 具有不确定性和复杂性, 目前的科技水平还无法对地震作用及建筑物的抗力进行准确预测及精准计算。建筑结构的抗震设计涉及很多方面, 受到很多不确定因素的影响, 单纯依靠作用力和抗力计算进行设计是远远不够的, 很大一部分抗震性能的实现要依靠抗震概念设计。结构设计人员必须掌握相关的抗震概念设计原则, 通过一系列的抗震 (构造) 措施, 来实现建筑工程的抗震设防目标。关键词： 建筑结构设计; 抗震概念设计; 结构体系和布置; 抗震 (构造) 措施; 收稿日期：2017-8-17Received： 201
2、7-8-17引言近几十年来, 我国的经济社会发展取得了巨大进步, 人民生活水平不断提高, 对建筑物的结构安全及抗震性能提出更高要求。在建筑结构设计中, 抗 (减、隔) 震设计也变得日趋重要和成熟, 而抗震概念设计就是其中最重要的一环。基于在长期实际工作中的经验, 本文对抗震概念设计进行粗略小结, 阐述抗震概念设计的一些基本内容及注意事项, 并就一些抗震措施进行探讨。1 建筑抗震概念设计的内涵抗震设计是建筑结构设计的重要组成。建筑抗震设计又可分为两类: (1) 抗震概念设计; (2) 地震作用及抗力计算 (计算设计) 。其中抗震计算 (计算设计) 主要是依据数理理论和现行工程规范, 通过计算机来
3、建立一个结构模型模拟建筑物受力, 并基于材料性能、力学理论等来计算地震时建筑物的抗震能力, 然后依据模拟数据的计算结果来进行整体的结构设计。在一些计算设计中或在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。工程师根据建筑物的整体结构特点, 利用系统化的结构理念, 注重结构的整体性反应和抗震薄弱部位, 以此来合理选择结构体系的布置方案, 从而实现建筑物的抗震设防目标。在某种意义上, 建筑抗震设计仍然是一门“艺术”, 依赖于设计人员基于数理知识、经验总结和理性分析而形成的抗震设计理念。而建筑抗震概念设计的目标就是将抗震性能最大化地发挥出来, 尽
4、量避免或减少建筑结构中出现比较敏感的薄弱部位。在地震过程中, 建筑结构中比较薄弱部位在地震中的抗力失效, 往往会对建筑物的整体结构造成很大的破坏甚至垮塌。所以, 在各种抗震设计或者方法中, 都是假设建筑整体结构可以充分发挥抗震作用, 其前提就是在注重整体结构布置的同时, 还要尽量避免出现抗震薄弱部位。抗震概念设计对建筑结构的整体抗震性能来说, 发挥着至关重要的作用, 也即是说, 建筑结构抗震性能的决定因素, 是良好的抗震概念设计。2 建筑抗震概念设计的一些基本内容2.1 抗震措施和抗震构造措施抗震措施和抗震构造措施是两个既有联系又有区别的感念。“抗震措施”是除了地震作用计算和构件抗力计算以外的
5、所有抗震设计内容, 是抗震“概念设计”的概念在建筑抗震设计中的具体细化和实现手段。其涵盖的内容非常广泛, 包括场地和地基的选择、建筑总体布置、结构体系选型、结构平面及竖向构件布置、上部结构嵌固端的选择、构件材料选用、地基抗液化措施、考虑概念设计对地震作用效应 (内力和变形等) 的调整, 以及各种抗震构造措施。这里, 地震作用计算是指地震作用标准值的计算, 不包括地震效应 (内力和变形) 设计值的计算, 不等同于抗力计算。在类场地及 0.15g 和 0.30g 的、类场地条件下, 还需要做局部调整。表1 汇总了现行规范中甲、乙、丙、丁类建筑与场地相关的抗震构造措施的调整要求。表 1 甲、乙、丙、
6、丁类建筑的抗震措施和抗震构造措施 下载原表 2.2 场地和地基选择场地, 指具有相似的反应谱特征的工程群体所在地, 不局限于房屋基础下的地基土, 其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于 1.0km1.0km 的平面面积;地基, 是指建筑物下面支承基础的土体或岩体。现行抗震规范已明确界定各类场地条件。2.3 抗震结构的匀称性及规则性合理的建筑形体、结构体系和布置在抗震概念设计中是头等重要的。其中, 匀称性和规则性是一个重要的概念, 要提倡并做到建筑形体平、立面简单对称, 需要建筑师和结构工程师在建筑方案创作阶段就要密切配合, 最终才可能设计出抗震性能良好的建筑, 也才可能避免搞出那些不利于抗
7、震的、奇奇怪怪的建筑。这里“匀称”、“规则”包含了对建筑平、立面外形尺寸, 抗侧力构件布置、质量分布, 直至承载力分布等诸多因素的综合要求, 即在平、立面、竖向剖面或抗侧力体系上, 没有明显的、实质性的不连续 (突变) 。由于实际工程中引起建筑不规则的因素很多, 特别是复杂的建筑形体, 很难一一用若干简化的定量指标来划分不规则程度并规定限制范围。因此规范只提供了平面和竖向不规则的一些概念性的参考界限而不是严格的数值界限。一个形体不规则的建筑, 应调整建筑方案。合理的抗震结构体系, 良好的变形能力和耗能能力。3 抗震结构的多道防线和抗震薄弱层 (部位) 变形集中抗震结构体系是通过对相关要件的综合
8、分析, 选用合理而经济的结构类型。在实际工程中, 要按照抗震概念设计的要求选择结构类型。此时, 除满足上述对建筑形体匀称性、规则性的要求, 满足受力明确、传力途径简捷、合理外, 还需要注意抗震多道防线和抗震薄弱部位塑性变形集中这两个概念的应用。3.1 抗震结构的多道防线多道防线对于结构在强震下的安全非常重要。所谓多道防线的概念, 通常指的是: (1) 整个抗震体系有若干个延性较好的分体系组成, 并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。如砌体结构由延性构造柱、圈梁和砌体承重墙两个系统组成;框架-抗震墙体系由延性框架和抗震墙组成;抗震墙体系由延 (塑) 性连梁和抗震墙组成;双肢或多肢抗震墙体系由若
9、干个单肢墙分体系组成;框架-支撑体系由延性框架和支撑框架组成;框架-筒体体系由延性框架和筒体两个体系组成, 等等。 (2) 抗震结构体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度, 有意识地建立起一系列分布的塑性屈服区, 以使结构能吸收和耗散大量的地震能量, 一旦破坏也已于修复 (强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件、强压若拉等概念的运用) 。设计计算时, 需考虑部分构件出现塑性变形后的内力重新分布使各个分体系所承担的地震作用的总和大于不考虑塑性内力重分布时的数值。3.2 抗震薄弱层 (部位) 变形集中实际的抗震结构设计中, 往往会受到使用要求 (如层高、楼面开洞等) 、材料强度限制、构件尺寸等限制, 必
10、然在某些部位存在抗震承载力比相邻部位相对薄弱的环节。于是, 强烈地震时该部位会率先破坏而致塑性变形, 甚至形成塑性变形集中的现象。防止结构抗震薄弱层塑性变形集中的概念, 也是抗震概念的重要内容。概念设计时, 抗震结构应具有合理的刚度、质量和承载力分布, 避免因局部削弱或突变成薄弱部位产生过大应力集中或塑性变形集中, 有目的地控制薄弱层 (部位) , 采取措施 (如采取约束砌体、约束混凝土、约束边缘构件、消能梁段等) 使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移, 以提高结构总体抗震能力;此外, 尚应防止在局部的加强而忽视整个结构各部位刚度、强度的协调。此外, 由于地震动的不确定性、地震的破坏作用、
11、结构在地震中破坏机理的复杂性, 以及抗震结构计算模型的各种假定与实际情况的差异, 导致迄今为止, 所有关于地震作用及结构的抗震验算都很难做到准确与精准, 计算的结果只是一种粗略的估计。但历次的震害经验表明, 这样的抗震验算还是必要的。而强调按概念设计在抗震验算中对各种地震效应的调整, 也是十分必要的抗震措施。这些地震作用效应的调整内容包括:结构自振周期的调整;楼层最小地震剪力的调整;楼层剪力沿高度分布的调整;楼层剪力沿抗侧力构件分布的调整;依据抗震等级的调整;多道防线的调整, 等等。4 结语在建筑结构抗震设计中, 必须首先掌握相关的抗震概念设计原则, 将各种抗震措施进行合理、有效的应用, 才可能有效提高建筑物的整体抗震性能。抗震概念设计还应不断总结创新, 努力适应时代发展要求, 不断学习国内外先进抗震理念和技术, 顺应经济社会发展的潮流, 这样才能大大提高建筑抗震设计质量, 保证建筑工程在地震中的安全性, 促进我国建筑行业的水平进一步提高。参考文献1建筑工程抗震设防分类标准 (GB 50223-2008) . 2建筑抗震设计规范 (GB 50011-2010, 2016 年版) .
