现行建筑结构抗震概念设计的理解

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　　【摘要】鉴于5.12汶川地震的结果来看，从建筑物的场地选择、平立面形式、结构布置、延性等方面论述了建筑结构设计中概念设计的内容。【关键词】建筑结构 抗震 概念设计1 前言现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则，以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用的原则。概率极限状态设计法更科学、更合理，但该法在运算过程中还带有一定程度近似，只能视作近似概率法，并且仅凭极限状态设计也很难估算建筑物的真正承载力。事实上，建筑物是一个空间结构，各种构件以相当复杂的方式共同工作，并非是脱离结构体系的单独构件。地震作用的随机性很强，在某一地区，某一个基准期内，可能出现的地震动是一个随机变量，事先无法预知，相对于荷载，地震动的影响次数少，作用短，各次的地震作用的强度差异很大，若要求在各种强度地震动作用下，结构仍然保持弹性工作状态是很不经济的，甚至是不可能的，因此，结构的抗震设计与结构抗御其它荷载作用的设计是不同的。对于结构工程师而言，在进行工程抗震设计时，必须要清楚地震作用有别于其它荷载作用的特殊情况，进而准确理解和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。因此，结构工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决。应立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念，从“概念设计”的角度着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节构造，从根本上提高结构的抗震能力。2 抗震概念设计的基本原则与要求2.1 场地选址
　　 造成建筑物震害的原因是多方面的，场地条件是其中之一。一是，地震时地面的强烈运动，使建筑物在震动过程中，由于丧失整体性或强度不足，或变形过大而破坏。二是，由于水坝坍塌、海啸、爆炸等次生灾害引起的破坏。三是，由于断层错动，山崖崩塌，河岸滑坡，地层陷落等地面严重变形直接造成的破坏。由于场地因素引起的震害往往特别严重，而且有些情况仅仅依靠工程措施来弥补是很困难的。因此，选择工程场址时，应进行详细勘察，搞清地形、地质情况，挑选对建筑抗震有利的地段，尽可能避开对建筑抗震不利的地段。
　　 对建筑抗震有利的地段，一般是指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土。建造于这类场地上的建筑一般不会发生由于地基失效导致的震害，从而可从根本上减轻地震对建筑物的影响。对建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指条状突出的山嘴、孤立的山包和山梁的顶部、高差较大的台地边缘、非岩质的陡坡、河岸和边坡的边缘;就场地土质而言，一般是指软弱土、易液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。2.2 合理的建筑平立面
　　 建筑物的动力性能基本上取决于其建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的抗震性能。
　　 从有利于建筑抗震的角度出发，地震区的房屋建筑平面应以方形、矩形、圆形为好，正六边形、正八边形、椭圆形次之，L形、T形、U形、Y形、十字形平面较差。1985年9月墨西哥地震后，墨西哥“国家重建委员会首都地区规范与施工规程分会”对地震中房屋破坏原因进行统计分析，结果表明，拐角形建筑的破坏率达到42%，明显高于其它形状的房屋。
　　 同时，地震区的建筑竖向体型及刚度变化要均匀，宜优先采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何图形，尽量避免过大的外挑与内收。因为立面形状的突然变化，必然带来质量和抗推刚度的剧烈变化。，地震时，该突变部位就会因为剧烈震动或塑性变形集中效应而加重破坏。1985年9月墨西哥地震，一些大底盘高层建筑，由于底层群房与高层主楼相连，没有设缝，体型突变引起刚度突变，使主楼底部接近裙房屋面的楼层变成相对柔弱的楼层，地震时由于塑性变形集中效应而产生过大层间侧移，导致严重破坏。
　　 3 合理的结构形式
　　 抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题。按结构材料分类，目前主要应用的结构体系有砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构、钢-混凝土结构等;按结构形式分类，目前常见的有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、简体结构等。结构体系的确定受到抗震设防烈度、建筑高度、场地条件以及建筑材料、施工条件、经济条件等诸多因素影响，是一个综合的技术经济问题，需进行周密考虑确定。抗震规范对建筑结构体系主要有以下规定：结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；结构体系宜具有多道抗震防线，应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对重力荷载的承载能力；结构体系应具有必要的抗震承载力，良好的变形能力和耗能能力；结构体系宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过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；结构在两个主轴方向的动力特性宜相近，在结构布置时，应遵循平面布置对称、立面布置均匀的原则，以避免质心和刚心不重合而造成扭转振动和产生薄弱层。4 提高结构的延性
　　 结构的延性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力，是防止在地震作用下倒塌的关键因素之一。结构良好的延性有助于减小地震作用，吸收与耗散地震能量，避免结构倒塌。而结构延性和耗能的大小，取决于构件的破坏形态及其塑化过程，弯曲构件的延性远远大于剪切构件，构件弯曲屈服直至破坏所消耗的地震输入能量，也远远高于构件剪切破坏所消耗的能量。因此，结构设计应力求避免构件的剪切破坏，争取更多的构件实现弯曲破坏。始终遵循“强柱弱梁，强煎弱弯、强节点、弱锚固”原则。构件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种稳定体系，致使结构的周期发生变化，以避免地震卓越周期长时间持续作用引起的共振效应。5 确保结构的整体性
　　 结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件，确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容。为了充分发挥各构件的抗震能力，确保结构的整体性，在设计的过程中应遵循以下原则:结构应具有连续性。结构的连续性是使结构在地震作用时能够保持整体的重要手段之一；保证构件间的可靠连接。提高建筑物的抗震性能，保证各个构件充分发挥承载力，关键的是加强构件间的连接，使之能满足传递地震力时的强度要求和适应地震时大变形的延性要求；增强房屋的竖向刚度。在设计时，应使结构沿纵、横二个方向具有足够的整体竖向刚度，并使房屋基础具有较强的整体性，以抵抗地震时可能发生的地基不均匀沉降及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。

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