摘要：簡述抗震設計“三水準”兩階段設計的基本理念及在抗震設計中的重要地位;結合震害分析論述建筑結構不規則時的破壞情況、劃分界限及應對策略;建筑設置多道抗震防線的原理和必要性;建筑結構的屈服機理及設計準則，結合實際震害論述非結構構件破壞及抗震設計。

　　關鍵字：三水準，剛度，地震烈度，屈服機制。

　　抗震設計中的基本概念在抗震設計中占有及其重要的地位，是每一位結構工程師都要遵循的指導思想，它是建筑抗震設防的政策、方針、及基本目的，同時給出了現階段抗震設防的基本思想，下面結合震害分析簡述抗震設計基本概念的重要性

　　我國的《建筑抗震設計規范》中提出實行以預防為主的方針，使建筑經抗震設計后，減輕建筑的地震破壞，避免人員傷亡，減少經濟損失。地震中由于建筑物的倒塌造成大量人員傷亡及經濟損失，為此提出了“三水準”的抗震設計思想。即“小震不壞、中震可修、大震不到”。這三個水準設防目標是通過“兩階段設計”來實現，第一階段設計：第一步采用第一水準烈度的地震動參數，先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應，與風、重力等荷載效應組合，并引入承載力抗震調整系數，進行構件截面設計，從而滿足第一水準的強度要求;第二步是采用同一地震動參數計算出結構的彈性層間位移角，使其不超過規定限制;同時采取相應的抗震構造措施，保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動滿足第二水準的變形要求。第二階段設計：采用第三水準烈度的地震動參數，計算出結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節)的彈塑性層間位移角，使之滿足規范要求;并結合必要的抗震構造措施，從而滿足第三水準的防倒塌要求。

　　通過對國內外一些地震中建筑物的破壞情況的分析，總結歸納出幾個主要方面：場地地基方面;房屋體形方面;結構體形方面;剛度分布方面;結構形式方面;非結構方面等幾個主要方面。

　　1985年9月墨西哥地震后，墨西哥“國家重建委員會首都地區規范與施工規程分會”對地震中房屋破壞原因進行統計分析，結果表面，拐角形建筑的破壞率達到42%。明顯高于其他形狀的房屋;從有利建筑抗震的角度出發，地震區的房屋建筑平面形狀應為方形、矩形、圓形為好，結構工程師可以通過設置抗震縫將平面不規則的建筑分解，使其成為平面簡單規則的建筑，這樣可大大減小由平面不規則引起的震害。

　　一般而言，房屋越高，所受的地震力和傾覆力矩越大，破壞的可能性也越大。在抗震設計中，房屋的高寬比是一個比房屋高度更要慎重考慮的問題，建筑物的高寬比值越大，即建筑物越瘦高，地震作用下的側移越大，地震引起的傾覆作用越嚴重。巨大的傾覆力矩在柱中和基礎中引起的壓力和拉力會導致嚴重的破壞。1967年委內瑞拉的加拉加斯地震，曾發生明顯由于傾覆力矩引起的破壞的案例，該市一棟11層旅館，底部三層為框架結構，以上各層為剪力墻結構底部三層框架，由于傾覆力矩引起的巨大壓力使軸壓比達到很大數值，延性降低，柱頭均發生剪壓破壞。另一棟18框架結構的Caromay公寓，地上各層均為有磚填充墻，地下室空曠。由于上部磚墻增加了剛度，加大了的傾覆力矩在地下室柱中引起很大的軸力，造成地下室很多柱在中段被壓碎，鋼筋彎曲呈燈籠狀。1985年墨西哥地震，墨西哥市一棟鋼筋混凝土結構，因地震時產生的傾覆力矩使建筑物傾倒，埋深2.5米的箱形基礎翻轉45°，并將下面的摩擦樁拔出。由此可見控制建筑的高寬比是很重要的。

　　結構平面布置時，應盡量均勻，對稱，特別注意具有很大抗側剛度的鋼筋混凝土墻和鋼筋混凝土芯筒的位置，力求居中和對稱，使結構的剛度中心和質量中心盡可能的靠近重合，以減小由偏心造成的扭轉。此外，抗震墻宜沿建筑物周邊布置，以使結構具有較強的抗扭剛度和較強的抗傾覆能力。天津754廠11號車間，為高25.3米的5層鋼筋混凝土框架體系，全長109米，房屋兩端的樓梯間采用490mm厚的磚承重墻，剛度很大;建筑物長度的中央設置雙柱伸縮縫，將建筑物分成獨立的兩個區段，就一個獨立的區段而言，因為伸縮縫處是開口的，無填充磚隔墻，結構偏心很大。1976年唐山地震時，由于強烈的扭轉震動導致2層有11根中柱嚴重破壞，柱身出現很寬的X形裂縫;1985年墨西哥地震中，一棟建筑，兩面臨街，全部為大玻璃窗，背街的兩面框架內用磚墻填實，剛度增大很多，造成結構偏心，地震時發生扭轉破壞;1972年尼加拉瓜的馬那瓜地震，位于市中心的兩棟相鄰高層建筑的震害對比，有力的說明結構偏心會帶來多么大的危害，15層的中央銀行，有一層地下室，采用框架結構體系，兩個鋼筋混凝土電梯井和兩個樓梯間均集中布置在平面右端，同時，右端山墻還砌有填充墻，造成很大的偏心，地震時強烈的扭轉震動造成較嚴重的破壞，一些框架節點損壞，個別柱子屈服，圍護墻等非結構部件破壞嚴重，修復費用高達房屋原造價的80%。另一棟是18層的美洲銀行，有2層地下室，采用對稱布置的鋼筋混凝土芯筒。地震后，僅3~17層連梁上有細微裂縫，幾乎沒有其他非結構部件的損壞。

　　通過對歷次地震的震害分析表明，在同一次地震中，體型復雜的房屋比體型規則的房屋容易破壞甚至倒塌，因此建筑方案的規則性對建筑結構的抗震安全性來說十分重要，這里的“規則”包括對建筑平面、立面外形尺寸，抗測力構件布置、質量分布，直至承載力分布等諸多因素的綜合要求。

　　《建筑抗震設計規范》對建筑的規則性提出了明確的要求，“建筑設計應符合抗震概念的要求，不規則的建筑方案應按規定采取加強措施;特別不規則的建筑方案應進行專門研究和論證，采取特別的加強措施;不應采用嚴重不規則的建筑方案”。作為抗震設計的強制性條文，要求業主、建筑師、結構工程師必須嚴格執行，優先采用符合抗震概念設計原理的、規則的設計方案;對于一般不規則的建筑方案應按規范的有關規定采取加強措施;對于特別不規則的建筑方案要求進行專門研究和論證采取高于規范、規程規定的加強措施，對于特別不規則的高層建筑應嚴格按建設部令111號文進行抗震設防專項審查;對于嚴重不規則的建筑方案應要求建筑師予以修改、調整。

　　在實際工程中，對于各種不規則的判斷與把握，可參照建質[2006]220號文件《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的相關規定執行，該規定量化了一般不規則，特別不規則的界定標準，結構工程師應按其規定執行，控制建筑物的規則性，并采取有效的加強措施，從而減小地震時由此帶來的震害。

　　一次地震產生的地面運動，能造成建筑物破壞的強震持續時間，少則幾秒，多則幾十秒，有的甚至更長(比如汶川地震的強震持續時間達到80s以上)。如此長時間的地震，一個接一個的強脈沖對建筑物產生往復式的沖擊，造成積累式的破壞。如果建筑物采用的僅有一道防線的結構體系，一旦該防線破壞后，在后續地面運動的作用下，就會導致建筑物的倒塌。特別是當建筑物的自振周期與地震卓越周期相近時，建筑物會由此而發生共振，更加速其倒塌進程。如果建筑物采用多重抗側力體系，第一道防線的抗測力構件破壞，后備的第二道乃至第三道防線的抗測力構件立即接替，抵擋住后續的地震沖擊，進而保證建筑物的最低限度安全，避免倒塌。因此，設置合理的多道防線，是提高建筑抗震能力、減輕地震破壞的必要手段。

　　自1906年洛杉磯地震以來，通過國內外的建筑地震震害分析表明，對于一般的高層建筑，剛比柔好，采用剛性結構方案的高層建筑，不僅主體結構破壞輕，而且由于地震時結構變形小，隔墻、圍護墻等非結構構件受到到保護，破壞也較輕。而采取柔性結構方案的高層建筑，由于地震時產生較大的層間位移，不但主體破壞嚴重，非結構構件也大量破壞，經濟損失慘重，甚至危機人身安全。所以，層數較多的高層建筑，不易采用剛度較小的框架體系，而應采用剛度較大的框架—抗震墻體系、框架—支撐體系或筒中筒體系等抗測力體系。基于上述原因，規范給出各類結構多遇地震下彈性層間位移角限值以及各類結構罕遇地震下彈塑性層間位移角限值，以確保建筑物有足夠的剛度，達到抗震設計三水準的要求。

　　一般而言，結構的屈服機制可以分為兩個基本類型，即樓層屈服機制和總體屈服機制。所謂的樓層屈服機制，是指結構在側向荷載作用下，豎向桿件先于水平桿件屈服，導致某一樓層或某幾個樓層發生側向整體屈服。所謂總體屈服機制，是指結構在側向荷載作用下，全部水平桿件先于豎向桿件屈服，然后才是豎向桿件的屈服。從建筑抗震設防角度，我們要有意識的配置結構構件的剛度與強度，確保結構實現總體屈服機制。為實現這一目的，結構中桿件發生強度屈服的順序應該是符合下列條件：桿先于節，梁先于柱，彎先于剪，拉先于壓。就是說，一棟建筑遭遇地震時，其抗側力體系中的桿件的損壞過程應該是：梁、柱、墻、斜撐桿件的屈服先于節點，梁的屈服先于柱，而且梁和柱又是彎曲屈服在前，剪切屈服在后;桿件截面產生塑性鉸的過程，是受壓屈服在前，受壓破壞在后。這樣，構件發生變形時，均具有較好的延性，而不是混凝土被壓碎的脆性破壞。即各環節的變形中，塑性變形成分遠大于彈性變形成分。那么，建筑物就具有較高的耐震性能，遭遇等于或高于設防烈度不超過一度的地震時，建筑不會發生嚴重破壞;遭遇高于設防烈度一度的地震時，建筑不至于倒塌。為使抗側力構件的破壞狀態和過程能夠符合上述準則，進行構件設計時，需要遵循以下設計準則：強節點弱桿件，強柱弱梁，強剪弱彎，強壓弱拉。

　　非結構構件。一般不屬于主體結構的一部分，非承重結構構件在抗震設計時往往容易被忽略，但從震害調查來看，非結構構件處理不好往往在地震時倒塌傷人，砸壞設備財產，破壞主體結構，堵塞逃生通道。對非結構構件的抗震對策，可根據不同的情況區別對待：做好細部構造，考慮非結構構件的質量、剛度、強度和變形;加強連接防止倒塌;加強設備支架等與主體的連接與錨固，盡量避免發生次生災害等等。2008年在我國汶川地震中，出現很多樓梯間填充墻倒塌堵塞樓梯間造成樓梯間無法使用。人員無法逃生。樓梯間作為緊急逃生的豎向通道是至關重要的，在抗震設計時對其圍護構件應采取加強措施。

　　總之，抗震設計基本概念是非常重要的，其所涵蓋的內容也很廣，是抗震設計的指導思想，他是結構工程師必須遵循的基本原則。

　　參考文獻

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