多道抗震设防与建筑抗震设计

多道抗震设防与建筑抗震设计
作者：蒋安静顾欣欣
来源：《建筑科技与经济》2016年第05期
摘要：在建筑抗震设计中，应尽可能设置多道抗震防线，利用延性较好的结构构件协同工作抵抗地震力或利用赘余杆件屈服和变形来吸收消耗大量的地震能量，同时利用赘余杆件的破坏与退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另外一种体系，实现结构周期的变化，以避开共振效应，从而减轻建筑物在地震作用中的破坏程度。

关键词：建筑结构；多道抗震设防；设计
1.概述
由于地震动具有明显的随机性和复杂性，加之建筑的动力特性、所在场地、材料及结构内力的不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前难以做到。

在地震预报科学水平有限的今天，为了保证结构具有足够的抗震可靠性，不仅仅要依靠结构抗震能力的相关计算，还必须综合考虑多种因素：场地条件和场地土的稳定性；建筑的平立面布置；抗震结构体系的选取；材料与施工质量等，着重从建筑物的总体上进行抗震设计即结构的抗震概念设计。

纵观近年来国内外大地震，采用单一结构体系（例如单跨框架结构）的建筑物，仅有一道抗震防线，在强烈地震作用下，它的倒塌率远远超过采用双重（例如框架一抗震墙、框架一支撑等）或多重抗侧力体系的房屋的倒塌率。

研究[LU1]表明，这些震害现象不仅与结构本身刚度与承载力有关，更与多道抗震防线有紧密联系。

多道抗震防线指的是：第一，一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，如框架一抗震墙体系是由延性框架和抗震墙两个系统组成；双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成；第二，抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的屈服区，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。

具有多道抗震防线的结构体系有多跨框架、框架-填充墙体系、框架-剪力墙体系、框架-简体体系、筒中筒体系等。

2.多道抗震设防的基本原理
一次大地震，某场地产生的地震动，能造成建筑物破坏的强震持续时间，少则几秒，多则十几秒，甚至更长。

长时间的地震动，会对建筑物产生往复式的冲击，造成积累式的破坏。

如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。

在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况
时，当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替后，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，减轻地震的破坏作用。

因此，在抗震设防中应考虑多道抗震防线。

优先采用不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或者选用轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类构件，作为第一道抗震防线。

如因条件限制，只能采用单一的框架体系，则应采用“强柱弱梁”型延性框架。

在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，利用梁的变形来消耗输入的地震能量，使框架柱退居到第二道防线的位置。

连系梁的设置以及恰当的配筋能够增强结构的延性。

当遭遇地震时，这些连系梁首先承担地震前期脉冲的冲击，以达到保护主体结构的目的。

3.工程实例
近十年来国内最大地震-2008年5月12日四川汶川地震发生后，专家组在第一时间通过大量对汶川地震灾区的建筑物破坏情况实地调查，对汶川地震中的典型建筑物破坏案例进行讨论分析，发现灾区建筑物的破坏类型呈多样性，主要表现形式有：砌体结构构造柱断裂、承重墙体开裂、楼梯破损、甚至整体坍塌等；钢筋混凝土框架结构的框架柱梁破坏（图1）、个别墙体与柱连接处开裂、填充墙开裂、楼盖破坏（图2）等。

本次地震发生在川西地区，当地农村修建的砖混结构、底框结构房屋基本未考虑抗震设防，普遍存在较大的质量安全隐患，大部分砖混结构、底框结构房屋抗震性能较差。

其中，砖混结构房屋的钢筋混凝土圈梁、构造柱设置也很不规范（图3）。

分析以上破坏案例可知，对于砌体结构，应严格按照抗震规范要求，设置钢筋混凝土构造柱和圈梁（图4），并确保两者的连接，以便加强建筑物的稳定性，提高多层砌体结构的抗震性能。

构造柱、圈梁虽然不能提高结构的抗震承载力，但作为约束构件，可以提高墙体的延性。

在大震作用下，砖墙被破坏后，被圈梁构造柱箍起的墙体还可不倒塌，这就形成了抗震的第二道防线。

汶川地震中，大多数纯多层框架结构的主体结构震害一般较轻，多为“强梁弱柱”类型的破坏形式即框架结构的柱端发生裂缝或破损，而框架梁却完好无损，或柱倒塌，梁随之倒塌，这就不能达到抗震设计目的。

图5建筑的柱太细且截面配筋细而不足，呈“强梁弱柱”类型，中间一层形成薄弱层，易引起局部倒塌。

因此，抗震设计应保证“强柱弱梁”的延性框架，“强柱弱梁”即在地震时，保证让梁端先出现裂缝，形成塑性铰来吸收一部分地震能量，梁为第一道防线，柱为第二道防线，从而避免柱子先于梁遭受破坏。

同时，也可以适当的在大跨度框架结构中墙体位置处增设剪力墙，或在柱间设置支撑等，来形成抗震的多道防线。

大震发生时，让其增设部件作为结构的“第一道防线”率先破坏，消耗地震能量，减小对整体结构的破坏程度，从而保护主体结构的安全。

本次地震中，框架一剪力墙（核心筒）结构，由于具有较大的抗侧刚度和承载力，显示出了优越的抗震性能，尤其是与统一地区的框架结构相比，框架一剪力墙（核心筒）结构的损坏
要轻很多。

由各类结构形式建筑的震害情况可以看出，双重抗侧力体系的建筑的破坏程度远远低于单侧力体系建筑。

因此，多道抗震防线的设置对建筑物的抗震至关重要。

4.多道抗震设防的工程应用
苏纶纺织厂建于20世纪90年代初期，主厂房共3层，层高超过6m，已使用19年。

原设计为单向框架结构，按当时规范情况未进行抗震设计。

业主拟将主厂房改建为大型商业超市，保留原有建筑外观，增强结构抗震性能，并赋予其新功能。

抗震设防烈度为6度（第一组），设计基本地震加速度值为0.05g，建筑场地类别为Ⅲ类。

通过抗震鉴定分析表明：原结构采用单向钢筋混凝土框架结构，不符合现行抗震规范要求。

另外，主厂房外围混凝土墙拆除后，改变了原有结构的刚度分布，结构耗能能力被削弱。

根据标准第6.2.8条，判定为第一级鉴定未通过。

若要改造利用该房屋，必须对结构进行抗震加固。

原设计功能为厂房，使用荷载考虑较大，主厂房的设计和施工质量较好，在原有设计荷载条件下，上部结构和基础的性能良好，确保了改造的可行性。

但单向框架结构延性不足，赘余度少，其耗能能力较弱，抗扭刚度较弱，很容易在大震下发生构件连续破坏继而倒塌，违背了现行抗震规范“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。

综合考虑鉴定结果，并根据《鉴定标准》和《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的相关规定，此结构宜采用改善结构体系和增设多道抗震防线方案对其进行加固。

经过复杂的[LU2]概念设计与抗震计算复核等工作，改造时采用增加钢支撑抗侧力构件的方法，即在原边框架的位置布置钢支撑的方式，以提高结构的抗扭刚度，并和原有框架结构一起形成2道抗震防线。

钢支撑有很强的变形能力，在大震作用下结构继续工作，耗散大量的地震输入能量，是结构的一道抗震防线，从而有效地提高了本工程的整体抗震性能。

钢支撑形式较多，如斜撑、人字形支撑、小八字撑，可以根据建筑功能要求予以选用。

当结构层间发生位移时，钢支撑首先受力变形，吸收地震力，从而增强建筑物的延性性能，达到抗震目标。

根据建筑功能使用情况和结构的平面体型，按均匀、对称、周边原则，钢支撑按图6布置。

抗震验算及结构的时程分析结果表明，通过钢支撑的增设，层间位移角得到了相对较好的控制。

x、y向自然地震波激励下层间位移角都有相应减小。

结构在弹性层间位移角均满足抗震规范要求。

计算结果显示，结构刚度分布更均匀，结构抗扭刚度得到了有效提高。

5.结束语
多道抗震防线是抗震设计中不可缺少的重要策略，有着不容忽视的作用。

多道抗震防线将会避免因部分构件破坏而导致结构体系丧失抗震能力和承受荷载的能力，从而实现“大震不倒”的设防目标。

保证整个土木工程结构的安全和稳定，不仅需要承载力的计算，还需要良好的构造措施（圈梁、构造柱等）、明确的传力路径、以及强节点弱构件、强柱弱梁的抗震设计理念。

多道抗震防线的设置能够增加建筑结构的塑性和延性，减轻建筑物的破坏程度，也是对付高烈度地震的一种经济、有效的方法。