由汶川地震引发对建筑结构抗震设计的思考

刘欣

（江西省赣州市建筑设计研究院，江西 赣州 341000）

1 影响建筑结构抗震能力的主要因素

1.1 建造结构所用的材料及施工质量

对于材料而言，我们要明确这样一个道理:地震对结构作用的大小几乎与结构的质量成正比。一般说在相同条件下，质量大，地震作用就大，震害程度就大;质量小，地震作用就小，震害就小。所以，在建筑的楼板、墙体、框架、隔断、围护墙以及屋面构件中，广泛采用多孔砖、硅酸盐砌块、陶粒混凝土、加气混凝土板、空心塑料板材、瓦楞铁等轻质材料，将能显著改善建筑的抗震性能。

施工质量的影响是深远的，在整个施工过程中，任何一个环节出现问题，都可能影响建筑结构本身的抗震能力。施工中造成的材料性能和截面几何特征在一定范围内变动，砂浆强度、混凝土浇筑质量以及延性构造措施在施工中的变动等施工质量问题，对实际结构抗震性能具有重要影响。

1.2 建筑物本身的设计

建筑物如果平面布置复杂，致使质心与刚心不重合，在地震作用下产生扭转效应，则会加剧了地震的破坏作用，汶川512地震中，一栋钢筋混凝土结构由于结构平面不规则，在水平地震作用下，结构产生严重扭转效应而破坏倒塌，同时撞坏相邻建筑上部的阳台。抗震设计中，要求结构平面布置尽可能地使结构的刚心和质心相一致，以减小地震作用下结构产生的扭转效应，对于结构平面布置不规则的房屋应注意偏离结构刚心远端抗震墙或框架柱承载力的验算。建筑立面应避免头重脚轻，结构重心尽可能的降低，出屋面部分如屋顶的女儿墙、水箱间等，由于根部与下部结构连接薄弱，刚度突变，受鞭梢效应影响严重，在地震时容易率先破坏倾倒;另外，其地震作用通过周边的屋面结构传至下部结构，如屋面结构刚度不够时，在突出屋面结构的下部一定范围内破坏相对集中。抗震设计中，要求出屋面建筑部分的高度不应过高，以减小地震时产生的鞭梢效应影响。

1.3 建筑场地

地震造成建筑物的破坏，情况是各种各样的，其一，由于地震时的地面强烈运动，使建筑物在振动过程中，因丧失整体性或强度不足，或变形过大而破坏;其二，由于水坝倒塌、海啸、火灾、爆炸等次生灾害所造成;其三，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。前两种可以通过工程措施加以防治，而后一种情况，单靠工程措施很难达到预防目的。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、尽可能避开对建筑抗震不利的地段，任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。

2 建筑结构抗震能力评估方法

2.1 弹塑性计量法

目前，弹塑性分析已经成为结构抗震设计的一个重要组成部分。国内外大量地震震害教训表明，建于强震区的早期结构，具有较高的地震易损伤性。如何评定这些已建结构的抗震性能，并据此进行合理的抗震加固，对最大限度的降低地震震害损失以及保护人民生命财产安全，都具有重要意义。弹塑性分析法主要用于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算，从而估计其抗震能力，自从基于性能的抗震设计理论提出之后，该方法的应用范围逐渐扩大到新建建筑结构的弹塑性抗震分析。这种方法与传统的抗震静力方法区别主要在于它考虑了结构的弹塑性性能并将设计反应谱引入了计算过程和计算结果的解释。基本原理是:在结构上施加竖向荷载并保持不变，同时施加某种分布的水平荷载，该水平荷载单调增加，构件逐步屈服，从而得到结构在横向静力作用下的弹塑性性能。止因为弹塑性计量法的这种特点，已经在建筑结构抗震能力评估领域发挥越来越重要的作用。而其中弹塑性静力分析作为结构弹塑性变形分析方法之一，以其实用性较强的优点正受到越来越多的关注，已经被列入我国《建筑抗震设计规范》。

2.2 反应谱法

用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱;再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载;然后按静力方法进行结构计算设计的方法，因此，是一种拟静力方法。我国抗震规范及高层规范都要求在高层建筑中用反应谱方法计算等效地震力，一般有两种方法:第一种是反应谱底部剪力法:当结构高度小于40m，沿高度方向质量刚度分布比较均匀，以第一振型为主的高层建筑;第二种反应谱振型叠加法:当把结构简化为平面结构进行分析时，采用平方和的平方根法(SRSS方法);当采用空间协同分析或空间分析方法时，考虑空间各振型的相互影响，采用完全二次方程法(cQc方法)oral。

3 提高我国建筑结构抗震能力的措施

3.1 对旧有建筑进行加固

建成于七十年代前后的建筑物，限于当时的具体条件，基本上都没有或者很少考虑抗震问题，很多房屋现在已经开始出现基础沉降、墙体裂缝、倾斜、面层剥落等现象或隐患，其中部分建筑已影响使用，甚至出现危房。鉴于拆旧建新投资费用较大，为了确保人民生命财产的安全，充分利用原有旧房，对不符合抗震要求的进行加固，对部分部位及构件进行修缮，以满足抗震设防目标，是十分必要的。而通常的方法是将结构隔震、消能减震技术应用到建筑物的抗震加固中。这种方法在某些方面具有独特的优点，它摆脱了常规加固中以构件承载力为主的加固模式，寻求通过减小建筑物上地震作用的途径，从而使结构及构件满足承载力要求，从而达到加固目的。

3.2 保证结构延性能力的抗震措施

合理选择了结构的屈服水准和延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：

3.2.1 “强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

3.2.2 “强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

3.2.3 抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。

抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生，采取了“强剪弱弯”的措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注意的是，与非抗震抗剪破坏相比，地震作用下的剪切破坏是不同的。

延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。在抗震设计中为保证结构的延性，常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。

[1]王平.建筑结构抗震能力评估方法[J].甘肃科技纵横,2005,34(5)

[2]常业军.建筑物结构易损性分析及震害预测[D].合肥:合肥工业大学，2000.3

[3]龚思礼等.建筑抗震设计.中国建筑工业出版社.1994.