浅谈抗震概念设计的重要性

浅谈抗震概念设计的重要性

摘要本文结合规范浅谈在抗震设计中概念设计的必要性、依据和来源、特点、应用

关键词总体地震效应薄弱层抗震设计概念设计

一、概述

目前，建筑抗震理论远未达到十分科学严密，单靠理论计算很难使建筑物具有良好的抗震能力，而着眼于建筑总体抗震能力的“概念设计”则愈来愈受到工程界的普遍重视，它在我国的抗震设计规范也开始有所体现。下面我就概念设计几点进行探讨。

二、抗震设计不确定因素

1. 地震发生的时间、地点和强度是不确定的，而且在某一次实际发生的地震中，方圆几千米区域内的地震加速度变化很大，表现出很强的离散型和不确定性。但实际设计时，往往是某一行政区域内所采用的地震作用参数确定的，例如，北京市为8度（0.2g，第一组，对于Ⅱ类场地设计特征周期为0.35s）设防区，上海为7度（0.1g，第一组，对于二类场地土为0.35s）设防区等，设计所采用的理论化结果和实际可能发生的地震作用之间不可能一致。就现阶段而言，结构抗震设计实际上只是一种校核或验算，即对给定结构的尺寸，给定预测的地震作用，验算结构是否满足强度和变形要求。即使考虑了结构构造措施的作用，也是在假定的地震作用条件下考虑的。由于地震的发生是未知的，一旦实际发生的地震大于预先假定的地震作用，结构就难以达到预先设计的安全性。

2. 结构理论本身也存在着许多不确定性，例如:结构构件材料性能、截面几何参数和计算模式的精度的不确定性导致结构构件抗力的不确定性，在结构整体分析中采用简化计算分析模型所引起的误差导致的不确定性，以及场地土类型的不确定性等。这些不确定性反映在工程设计方面，主要表现在以下几方面（1）结构分析的影响；（2）材料的影响；（3）阻尼系数的变化。（4）基础差异沉降的影响（5）地基承载力的影响（6）持续荷载的影响。

由此可见，由于地震作用的不确定性和复杂性，以及结构计算模型的基本假定与实际受力情况的不一致性，仅靠计算分析得出的数据进行的抗震设计即计算设计（或称为数值计算）所设计出的结构必然缺乏对不同地震作用的适应性，很难有效的控制结构的抗震性能。总结历次大地震灾害的经验教训，人们发现，在抗震设计时不能完全依赖计算，概念设计比计算设计更为重要，《建筑抗震设计规范》（GBJ 11-08）的条文说明中明确提出“结构抗震性能的决定因素是良好的概念设计”.

三、概念设计的定义及原则

概念设计是指进行结构抗震设计时着眼于结构的总体地震反应，依靠设计者得知识和经验，运用思维和判断正确的决定建筑的总体方案和细部构造，综合解决设计的基本问题，做到合理的进行抗震设计。

概念设计概括起来包括以下几个原则：1.合理的结构总体布置；2.设置多道抗震防线；3.恰当地选择结构类型，任何一个工程一般都不会只是一个“唯一解“，往往得到的是一组“可行解”，在多数情况下，我们是在众多的解答中选一个各方比较满意的“满意解”；4.加强结构整体性；5.消除或强化薄弱环节；6.提高结构构件的延性；7.采用轻质材料；8.考虑非结构构件的影响。

四、概念设计的主要依据和来源

概念设计不是凭空产生的，容柏生在一次讲座中指出，概念设计的主要依据和来源如下：1.深刻理解各种结构的工作原理和力学性质；2.熟悉各类结构的设计原则；3.掌握各种计算机程序的适用范围、力学模型、处理原则、开关使用等；

4.丰富的工程经验，包括积累的直接经验和间接吸收的间接经验。通过概念设计可以做到：1.保证正确的设计方向，即方向要对头；2.符合外部条件，使设计经济、合理；3.发现并解决设计中的问题；4.判断设计结构的正确性；

5.促进创新提高设计质量。创新发明不是盲目的，通过原理分析使之与外部条件相适应。新设计源于概念合乎逻辑。

五、概念设计的特点

工程建设最大的特点是它涉及的技术除了综合性以外，还有很强的个性。个性是指工程建设与建设的地域、环境有非常密切的联系。一个土木工程师一生面临的工程问题大部分不是仅靠计算就能解决的。案例和经验的积累对一个土木工程师来说，就像他们对医生、律师一样，非常重要。因此，概念设计应具有以下特点：1.有效性。地震作用的随机性和强度变化的不确定性要求结构对不同强度的地震作用必须具有较好的适应性。2.实用性。在正常使用阶段，能满足结构的各种正常使用要求，在地震作用下必须符合“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防要求。3.可操作性。概念设计的基本要求要简单明了，易于被广大设计者掌握，并在实际工程中推广应用。4.经济性。工程建设的最终目标是追求技术、经济和建筑艺术的统一。概念设计所采用的措施造价低廉、施工方便，符合我国目前经济发展水平和施工技术水平。

可见，在实际工程设计中，对某一局部过分精细的计算意义不大。当今抗震科学尚处于较低水平，试验手段和技术还不能确切模拟地震对建筑作用，因而地震区建筑物的破坏状况更成为探索地震破坏作用和结构震害机理最直接和最全面的大型结构试验。因此，有必要在充分吸收历史地震经验和教训的基础上，结合现代技术，在基本理论、计算方法和构造措施等多方面，研究改进建筑设计技术，以进一步提高建筑的抗震可靠度。

六、概念设计的应用

一个大的工程结构设计不能仅通过计算机上的模型计算来得到最佳方案，概念设计成为弥补计算设计缺陷的重要手段和不可或缺的途径。因此设计阶段应有意识地加强重点部位和重要构件。正因为结构计算与实际地震作用、实际正常使用条件存在不一致，构件设计时一般均留有一定的富余量或对构件相对强弱关系进行人工干预。

根据概念设计的思想，《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）将概念设计的内容具体化，例如，第11.3.1条和第11.3.6条是通过控制混凝土受压高度、规定最小配筋率、梁上部和下部纵筋的比例关系以及梁端箍筋配置要求的措施，以确保梁端塑性铰区具有足够的塑性铰转动的能力。第11.3.2条、第11.4.2条~第11.4.7条主要是通过各种内力调整系数，确保“强剪弱弯”和“强柱弱梁”设防目标的实现，其实质则是调整梁端箍筋和纵筋、梁纵筋和柱纵筋、柱箍筋和纵筋之间的相对比例关系，是结构在较强或更强地震作用下形成梁端塑性铰出现较早、较普遍，柱端塑性铰出现较迟、数量相对略偏少，且不致形成明显的“楼层柱铰机构”的塑性耗能机构，并通过塑性耗能避免在较强地震作用下的结构严重损伤和在更强地震作用下发生人身安全的局部或整体失效。同样，在剪力墙底部一定高度范围内设置塑性铰区，通过内力调整使其他部位不出现屈服，而在塑性铰区内采取加强横向分布钢筋和边缘构件的配筋等措施，防治剪力破坏，提高剪力墙的变形能力，从而增强结构防倒塌的抗震性能。也就是可提高通过调整上下楼层的配筋相对关系，有目的地利用各楼层刚度分布和塑性内力重分布来控制薄弱层或薄弱部位，使之不致发生过大弹塑性层间变形，达到既有足够的变形能力，又不使薄弱层转移。

对于正常使用条件下，为确保常规荷载作用下的结构安全，非抗震区的梁、板、柱、墙或地震区得楼板等构件设计时一般也应留有一定的富余量，

七、结束语

在进行工程抗震设计时，应高度重视概念设计，但也不能忽视理论计算的结果。只有将二者有机结合起来，才能从整体上提高工程的整体抗争能力，才能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标。