建筑抗震概念設(shè)計(jì)

建筑抗震概念設(shè)計(jì)以前總以為地震離我們很遙遠(yuǎn)，但近年來的汶川地震、玉樹地震和日本地震讓人覺得地震離我們又是那么的近。地震是一種危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全、破壞性極大的突發(fā)性自然災(zāi)害。尤其在人口密集、政治、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的城市和地區(qū)，造成的損失更是慘重。每一次地震過后都帶走很多人的生命，會(huì)給其經(jīng)過的地區(qū)帶來毀滅性的打擊，美麗的城市在數(shù)十秒鐘內(nèi)變成一片廢墟，成片房屋破壞倒塌，交通、通信、供水、供電等生命線中斷，造成人員傷亡，城市癱瘓，并導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了安全起見，建筑應(yīng)該做抗震設(shè)計(jì)。以下對地震下建筑物破壞分析：在地震中，被人們認(rèn)為抗震性能優(yōu)于砌體結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土框架房屋同樣受到了不同程度的破壞。在北川縣城、漢旺鎮(zhèn)、都江堰等地震災(zāi)區(qū)我們拍攝了大量框架結(jié)構(gòu)房屋破壞的照片，如圖4~8。其中圖4為災(zāi)區(qū)普遍而且典型的底層框架柱破壞形態(tài)，圖5~8為下部框架柱脆性破壞后房屋下座坍塌或者傾斜坍塌。

從這些照片中，我們可以看到，框架柱節(jié)點(diǎn)破壞嚴(yán)重，且均為剪切破壞，導(dǎo)致了有些房屋完全坍塌，成為一片廢墟；有些房屋底層坍塌，上部樓層完整無損的坐落或者傾斜；有些房屋損壞嚴(yán)重但未倒塌；也有些房屋只是局部裂縫，結(jié)構(gòu)完整無損。造成這些房屋不同破壞的原因是多方面的，有設(shè)計(jì)、施工和材料等多方面因素，我們無法對每一個(gè)已破壞的或未破壞的建筑進(jìn)行科學(xué)的檢測和論證，也沒有權(quán)利亂加評價(jià)。但從現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象，我們可以歸納為下列四種情況：

（1）框架柱斷面遠(yuǎn)小于梁斷面尺寸，如圖4、6、9，有些框架柱節(jié)點(diǎn)又表露出鋼箍直徑小，間距大，且大多是單肢箍，節(jié)點(diǎn)薄弱。柱是框架的豎向構(gòu)件，地震時(shí)柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌。柱節(jié)點(diǎn)的箍筋對混凝土沒有形成約束，也不能防止縱向鋼筋壓屈，必然造成框架柱節(jié)點(diǎn)脆性破壞。

（2）房屋下部為大開間框架，而上部框架中采用較多的填充墻，此類填充墻為240粘土磚眠墻砌筑，磚和砂漿強(qiáng)度較高，與梁柱連接良好。地震過程中框架上部由于此填充墻的存在，使得上部自重大、剛度大，下部框架成為薄弱層，在未對下部框架柱進(jìn)行加強(qiáng)處理時(shí)，該體系就形成了近似于框支剪力墻結(jié)構(gòu)，框架底層柱承受較大地震水平剪力，柱端節(jié)點(diǎn)首先脆性破壞，導(dǎo)致整體房屋下部坍塌坐落，如圖5、7。

（3）無獨(dú)有偶，同一結(jié)構(gòu)單元中一邊為大開間框架結(jié)構(gòu)，一邊在框架中使用較多的此類填充墻，致使結(jié)構(gòu)形成近似于剛心偏移的框架剪力墻的受力特點(diǎn)，地震作用對房屋產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)的效應(yīng)，導(dǎo)致框架柱嚴(yán)重受損破壞，使房屋傾斜坍塌。如圖8，該房屋原為7層辦公樓，傾斜坍塌下坐至2層。

然而，我們也發(fā)現(xiàn)了不少框架結(jié)構(gòu)房屋，由于框架中采用如前所述的240厚的填充墻，且填充墻做到了上下對齊，布置均勻，震后雖然該填充墻上出現(xiàn)X型裂縫，墻體破壞嚴(yán)重，如圖10，而主體結(jié)構(gòu)未遭損壞，房屋未坍塌且表現(xiàn)良好。表明此類填充墻在該結(jié)構(gòu)體系中起到了第二道抗震防線的作用，經(jīng)受住了這次罕遇地震的作用的考驗(yàn)。這一現(xiàn)象及上述兩種填充墻在框架中的影響，值得我們重新研究框架填充墻在抗震中的效能，對抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有一定的啟示。

（4）樓梯間破壞十分嚴(yán)重，主要表現(xiàn)歇臺(tái)板與樓層錯(cuò)層，樓板又為斜向桿件，引發(fā)了底層樓梯板拉裂，甚至完全拉斷，樓梯梁、柱節(jié)點(diǎn)因歇臺(tái)梁的作用形成短柱破壞，這些破壞必然導(dǎo)致在地震過程中加劇人員的傷亡。

上述幾種框架結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn)，我們不難發(fā)現(xiàn)，延性框架是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，延性框架的抗震設(shè)計(jì)概念主要包括“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)大節(jié)點(diǎn)”。同時(shí)有必要對多層框架結(jié)構(gòu)中填充墻的用材、構(gòu)造、布置和受力特征進(jìn)行分析，重新判斷和認(rèn)識(shí)框架填充墻的作用。樓梯是人們生活和生命的通道，也應(yīng)引起高度重視。橋梁在地震后所受到的破壞有主梁移位及落梁、橋墩震害、支座破壞和橋臺(tái)震害及其他。主梁移位在極震區(qū)橋梁中相對比較普遍，但主梁移位的極端情況——落梁破壞相對較少。發(fā)生嚴(yán)重梁體位移的12座橋梁中，梁體移位主要表現(xiàn)為縱橋向移位、橫橋向移位和平面旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。由于梁體直接支撐在橋墩上，相互之間僅靠橡膠支座相聯(lián)系，基本沒有水平約束，當(dāng)水平地震力超過摩擦力或支座抗剪能力時(shí)，梁體與橋墩發(fā)生相對位移。橫橋向移位的橋如G213線魚子溪橋?yàn)?×22.2m簡支T梁，主梁橫向移位達(dá)到30cm。圖15所示的G213線白水溪大橋3號(hào)墩墩頂梁體橫向移位達(dá)到48cm[2]，面臨橫橋向落梁危險(xiǎn)?？v橋向移位的橋如G213線壽江大橋，梁體向映秀方向縱移，導(dǎo)致第1跨面臨縱橋向落梁的風(fēng)險(xiǎn)，見圖10。同時(shí)大量的斜交橋梁發(fā)生了平面轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖9白水溪大橋3號(hào)墩梁體橫向移位主梁移位的同時(shí)撞擊橋墩的縱橫向擋塊，也造成了橋墩擋塊的大量破壞，但在地震中，因?yàn)閾鯄K的設(shè)置，減少了橫向落梁風(fēng)險(xiǎn)。圖10壽江大橋第1跨主梁縱向移位橋墩是支撐梁體的主要構(gòu)件，同時(shí)由于橋梁結(jié)構(gòu)上剛下柔的特點(diǎn)使得橋墩極易出現(xiàn)破壞。其震害主要包括墩身的剪斷、壓潰和開裂；其次是橫系梁開裂、橫向移位及傾斜，主要出現(xiàn)在靠近斷裂帶附近的少數(shù)橋梁。圖11所示的都汶公路K26+773順河大橋，其跨徑組合為1×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+7×20m空心板，下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式墩，在3號(hào)墩左柱、5號(hào)墩右柱發(fā)生斜剪破壞；圖12所示的百花大橋橋墩在墩底大量產(chǎn)生壓潰破壞，在剛度突變處墩身壓潰和橫系梁開裂；岷江廟子坪大橋主橋5號(hào)主墩墩身底部橫向貫通裂縫；都汶高速公路新房子大橋右幅的6×25m連續(xù)箱梁因地基滑移致使墩柱傾斜，最大縱向傾斜度達(dá)30‰，最大橫向傾斜度為14‰。見圖11其余均出現(xiàn)在墩底或橫系梁處。這一震害表明，對于梁式橋，剛度突變截面是抗震的控制截面。震害調(diào)查分析表明：(1)發(fā)生橋墩傾斜震害的主要是連續(xù)梁橋。連續(xù)梁橋由于固定支座的設(shè)置和墩身高度的不同，使得各橋墩在地震作用下承受的水平地震荷載差異大，從而各橋墩破壞的嚴(yán)重程度差異也大，同時(shí)會(huì)帶來崩潰性的破壞。(2)墩柱箍筋是非常重要的。通過破壞橋墩的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，無論墩柱直徑大小，無論是否是潛在塑性鉸區(qū)域箍筋體積配箍率只有0.048%～0.067%，遠(yuǎn)不能保證足夠的橫向約束能力。(3)墩身剛度突變處易產(chǎn)生震害。(4)此次橋墩震害出現(xiàn)了深水橋墩開裂這一全新的橋墩震害現(xiàn)象。 圖11K26+773順河大橋5號(hào)墩右柱剪斷圖12百花大橋未跨橋墩的壓潰支座不太被重視，但功能卻十分重要，地震時(shí)其作用更為明顯。支座破壞是橋梁上部結(jié)構(gòu)中最常見的一種破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為支座撕裂、脫落等，見圖13。梁的縱橫向移位大多數(shù)都是以支座破壞為前導(dǎo)。地震時(shí)支座受到很大剪力和變形，當(dāng)剪力超過支座容許剪力時(shí)支座被撕裂破壞；當(dāng)變形超過支座容許剪切變形時(shí)，梁與支座產(chǎn)生相對滑移，直至產(chǎn)生落梁現(xiàn)象。圖13支座撕裂橋臺(tái)是橋梁兩端的支撐部分，橋臺(tái)的填料三面臨空，震動(dòng)大，橋臺(tái)和下面土的剛度不同，易造成破壞。此次地震中橋臺(tái)的破壞主要有：重力式橋臺(tái)的墻體開裂，肋板式橋臺(tái)肋板開裂、背墻耳墻開裂、橋臺(tái)錐坡開裂、橋臺(tái)填料垮塌、搭板下沉等，由以上例子來看，建筑抗震設(shè)計(jì)的重要性。建筑抗震概念設(shè)計(jì)是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程，是一種基于震害經(jīng)驗(yàn)建立的抗震基本設(shè)計(jì)原則和思想?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)包括工程結(jié)構(gòu)總體布置和細(xì)部構(gòu)造。一般對地震區(qū)的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，包括抗震概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和抗震構(gòu)造措施三個(gè)方面。合理抗震設(shè)計(jì)從建筑和結(jié)構(gòu)兩方面來說：1.建筑設(shè)計(jì)不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)體系應(yīng)符合:a.應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。b.應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。c.應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。d.對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。e.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑附屬機(jī)電設(shè)備，自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接，應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)的基本原則與要求

1.選擇有利場地。造成建筑物震害的原因是多方面的，場地條件是其中之一。由于場地因素引起的震害往往特別嚴(yán)重，而且有些情況僅僅依靠工程措施來彌補(bǔ)是很困難的。因此，選擇工程場址時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)勘察，搞清地形、地質(zhì)情況，挑選對建筑抗震有利的地段，盡可能避開對建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險(xiǎn)地段上建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟(jì)損失的建筑物。

對建筑抗震有利的地段，一般是指位于開闊平坦地帶的堅(jiān)硬場地土或密實(shí)均勻中硬場地土。建造于這類場地上的建筑一般不會(huì)發(fā)生由于地基失效導(dǎo)致的震害，從而可從根本上減輕地震對建筑物的影響。對建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指條狀突出的山嘴、孤立的山包和山梁的頂部、高差較大的臺(tái)地邊緣、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡的邊緣；就場地土質(zhì)而言，一般是指軟弱土、易液化土、故河道、斷層破碎帶、暗埋塘浜溝谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的地段。2.采用合理的建筑平立面。建筑物的動(dòng)力性能基本上取決于其建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局簡單合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就能從根本上保證房屋具有良好的抗震性能。3.選擇合理的結(jié)構(gòu)形式?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系是抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。按結(jié)構(gòu)材料分類，目前主要應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系有砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)等；按結(jié)構(gòu)形式分類，目前常見的有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、簡體結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)體系的確定受到抗震設(shè)防烈度、建筑高度、場地條件以及建筑材料、施工條件、經(jīng)濟(jì)條件等諸多因素影響，是一個(gè)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，需進(jìn)行周密考慮確定4.提高結(jié)構(gòu)的延性。結(jié)構(gòu)的延性可定義為結(jié)構(gòu)在承載力無明顯降低的前提下發(fā)生非彈性變形的能力。結(jié)構(gòu)的延性反映了結(jié)構(gòu)的變形