淺析建筑結構的抗震設計

吳笑梅

西部建筑抗震勘察設計研究院

一、我國建筑結構抗震設防的三水準目標及兩階段設計

    房屋建筑的抗震設計，要求在現有技術和經濟水平的前提下，處理地震風險與結構安全的關系。現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB50011規定了我國房屋建筑抗震設計的“三水準”目標，即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。這里的中震，是指設防烈度地震，然后將中震作用除以R（中國R≈2.86）來考慮小震水平（相當于50年超越概率為63%），另外還規定了50年超越概率為2%~3%d的地震為罕遇地震

    目前，抗震設計規范通過兩階段的設計方法來實現上述的三水準抗震目標。第一階段設計按小震對應的地震作用效應和其它荷載效應的組合驗算結構構件的承載力和結構的彈性變形，第二階段按罕遇地震對應的地震作用效應驗算結構的彈塑性變形。

二、場地反應及地基效應

    對于硬、軟巖石場地，基巖運動的場地放大效應通常較小，在危險性評價中可忽略不計。對于密實土和軟土場地 ，確定地震需求的更完善的方法是完成一項場地反應考察。其中，基巖震動靠豎向傳播的剪切波經非線性土層向上傳遞。當前，正在形成模擬從斷裂到場地的整個波動傳播過程的精細全面的三維方法。對于建在較軟土層上的具有深埋實體基礎或基礎結構的高層建筑設計，關鍵是在給出地震動在地基層中隨深度的變化規律后，找出更適合用于建筑物的設計的地震動。另外“基礎地震動”有可能明顯不同于地震危險性評價所預測的自由場地地面運動。

    土—結構相互作用用來描述基礎和土層對結構性能的影響。一般來說，這種影響包括以下三個方面：

    第一：土壤—基礎體系在滑動和轉動中具有一定的質量和可變性；

    第二：地震能量經地基基礎傳入上部結構，同時結構中的震動能量會傳入地基，并由地基以及從基礎經應力波的形式外輻射而耗散。

    第三：傳入建筑物的地震地面運動受基礎的埋深和剛度的影響。在結構抗震實踐中，有時土壤的非線性性能有時會成為一個起控制作用的因素，并應考慮到土壤在大應變下的應變軟化和附加滯回阻尼。

三、抗震設計保證延性設計的抗震措施

    兩階段設計方法，第一階段用小震對應的地震作用效應和其它荷載效應的組合進行截面設計并驗算小震作用下結構的彈性變形，給出了具體設計方法確保了“小震不壞”，但是第二階段按罕遇地震對應的地震作用效應驗算結構的彈塑性變形，只是給出了驗算指標，滿足了結構彈塑性變形就能保證“大震不倒”。而如何保證中、大震下結構的彈塑性變形要求，在具體設計過程中，規范是通過“強柱弱梁，強剪弱彎”的計算要求，以及抗震構造措施來保證結構在超過該地區小震水平的地震發生時，結構能形成良好的塑形耗能機構，具有良好的延性，以滿足中、大震下的變形要求。

    強柱弱梁措施，是指通過人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架的塑性變形更多的出現在梁端，而不是柱端，從而形成以梁端出現塑性鉸為主的塑性耗能機構，即“梁鉸機構”。反之，在強梁弱柱的情況下，由于鋼筋混凝土框架梁的抗彎能力相對大于柱的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架的塑性變形更多的出現在柱端，只要某一層全部柱的上、下端由于塑性變形過大而形成塑性鉸，則該層就與其上樓層一起形成機構，及“柱鉸機構”。

    強剪弱彎措施，因為所有的剪切失效都是非延性的或是說延性很小，所以結構設計中，要保證結構的延性，就必須以構件彎曲時主筋受拉屈服破壞為主，避免剪切破壞，通過人為加大柱端、梁端和節點的組合剪力值，也就是人為加大這些部位相對于正截面承載能力的抗剪能力，使結構能在大震引起的交替非彈性變形過程中構件不發生剪切破壞，使構件實現“強剪弱彎”。

    通過“強柱弱梁”引導形成了梁鉸塑性耗能機構，并通過“強剪弱彎”防止沒有延性的剪切破壞。另外，規范還通過一系列抗震構造措施和限制條件來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力。

四、結語

    通過多年對于建筑結構抗震設計的研究，我國已經逐漸形成了自己的一套較為先進的、有效的抗震設計方法并日趨成熟，但是也有很多不足之處，需要我們在實踐中加以完善。總之，要確保建筑結構中抗震設計能高效完成，應在遵循相關建筑抗震規范要求的原則上，進行科學的、合理的設計，確保建筑物具有穩定的、可靠的抗震性能，達到建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒的標準。我們有理由相信，隨著相關技術人員抗震設計水平的不斷提高，我國的建筑工程結構抗震設計也會邁上更高的臺階。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)