浅谈建筑结构的抗震措施

浅谈建筑结构的抗震措施

作者：张金玲

来源：《科学与财富》2011年第05期

[摘要] 由于地震作用是一种随机性很强的循环、往复荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，存在着许多模糊和不确定因素，在建筑结构基于性能要求的抗震设计方案中，抗震措施是一个重要的组成部分。本文提出了借助组合抗震能力将抗震措施量化的方案，以寻找基于不同性能要求与不同抗震措施之间的基本对应关系。

[关键词] 抗震措施基于性能设计要求建筑结构

一、建筑抗震的理论分析

（一）建筑结构抗震规范

建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结，是指导建筑抗震设计（包括结构动力计算，结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容）的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平，又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有关科学理论的引导，向技术经济合理性的方向发展，但它更要有坚定的工程实践基础，把建筑工程的安全性放在首位，容不得半点冒险和不实。正是基于这种认识，现代规范中的条文有的被列为强制性条文，有的条文中用了“严禁，不得，不许，不宜”等体现不同程度限制性和“必须，应该，宜于，可以”等体现不同程度灵活性的用词。

（二）抗震设计的理论

1、拟静力理论。拟静力理论是20世纪10~40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数（地震系数）。

2、反应谱理论。反应谱理论是在加世纪40~60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。

3、动力理论。动力理论是20世纪70－80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选

择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

二、建筑结构抗震措施的衡量标准

对于性能的要求，现行抗震设计规范有两种基本的表达方式：一种是以损坏的程度来描述，另一种是以用途的重要性即抗震设防分类来描述。建筑结构中的损坏程度划分为不损坏和属正常维修下的损坏、可修复的破坏和倒塌；抗震设防分类则氛围甲、乙、丙、丁四类。对某些钢筋混凝土结构，现行规范给出了正常维修和倒塌的层间变位角作为定量指标。对于不同的设防类别，先行规范规定了不同的抗震措施，如乙类建筑的抗震措施要比丙类建筑的有关规定提高一度。按规范提高抗震措施后，在遭遇到相当于本地区设防烈度的地震影响时，由于地震作用步提高，乙类建筑毁坏程度比丙类建筑要轻些。在遭遇到本地区罕遇地震影响时，乙类建筑的抗倒塌能力比丙类建筑要明显提高。显然，结构的抗震能力仍然缺乏明确的数量的变化。

借助于现行《抗震鉴定标准》所引进的“综合抗震能力由数量上的区别”有可能使不同性能要求的结构所具有的抗震能力由数量上的区别。例如，结构抗力的高低，可用结构楼层的受剪承载力与设计地震剪力的比值，即楼层的受剪承载力与设计地震剪力的比值即楼层屈服强度系数来表征；结构变形能力的高低，可用结构所具有的变形能力与基本变形能力的比值来表征。从而使不同性能要求所对应的坑震措施得以数量化。

如果把按现行抗震设计规范进行进行设计的丙类结构作为符合基本性能要求的结构，即其抗力和变形能力的组合结果，可定义为综合坑震能力的基本值；对于性能（包括变形）要求较高的建筑结构，如乙类建筑，其综合抗震能力应低于基本值。高低的具体取值，可根据性能要求确定。

在确定综合抗震能力的两个因素中楼层屈服强度系数的定量在现行的抗震设计规范中已经是现成的，可以根据结构构件的实际截面尺寸和配筋，取材料强度标准值按承载力计算的有关公式得到，这里不在重复。以下重点研究的是变形能力比值的定量变化。

四、影响结构延性的构造因素分析

对于有不同构造措施的建筑结构，在现行《建筑抗震坚定标准》中，为使结构构造对抗震能力的影响系数和局部影响系数，将抗震构造措施对整个结构抗震能力的影响分为整体影响和局部影响两大类。例如，对砌体结构，以抗震横墙间距、房屋高宽比、相邻层刚度比、墙体之间及墙体与楼板的连接、圈梁和构造柱设置作为整体影响的构造，而以墙体局部尺寸、楼梯间构造、出屋面建筑等作为局部影响的构造。对不同的设防烈度、抗震构造有不同基本构造措施要求，当现有结构的构造高于基本要求时，相应的影响系数大于1.0当低于基本要求时，相应的影响系数小于1.0，这些系数的变化幅度，一般在0.6至1.3的范围内。

按上述思路，考虑到现行设计规范规定的基本抗震构造一般可分为高、中、和低三个等级，相当于将不同的性能要求用不同的等级来表示，但对于不同类型的结构，确定构造等级时所考虑的因素不同。参照现行设计规范的有关内容和要求，对于除规则性要求外的抗震构造，初步划分如下：

1.砌体结构影响变化能力的构造，可将圈梁、构造柱设计数量、位置、截面尺寸和配筋的分级作为重点，而局部墙体尺寸等只考虑其局部影响。例如，多层砖房的构造柱设置数量，可将房屋四角和楼梯间四角设置作为第一等级，房屋隔开间内外墙交接处和楼梯间四角设置作为第二等级。房屋每开间内外墙交接处和楼梯间四角设置作为第三等级；不设置构造柱即与非抗震设计相同。当然，在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的砌体结构，其基本延性构造要求仍不同，如构造柱设置要求随房屋层数的增加而提高。现在的问题是，需要通过具体实例的计算分析，研究同一地点同样的房屋按不同的等级采取措施后，其各种措施的构造影响系数如何取值？是否可在某个范围内（如0.6至1.5的范围内）取值。

2.钢筋混凝土结构影响变形能力的构造，可将内力调整、柱纵向钢筋和箍筋体积配箍率、抗震墙墙体边缘的布置和构造作为分级的重点，而短柱、框支层、连梁的构造作为局部的影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的钢筋混凝土结构，其基本延性构造要求仍需不同。这里，内力调整、纵筋总配筋率和箍筋体积配箍筋率等均已有现成的分级和定量取值，只需研究如何转为相应的影响系数。

3.钢筋结构影响变形能力的构造，可将内力调整、节点域构造、构件长细比和支撑设置作为分级的重点，而构件宽厚作为局部影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的钢结构，其基本延性构造要求也需不同。现行高层民用钢结构规程也有一些现成的定量0取值，同样需研究将其转化为影响系数的方法。

总之，为了达到各类结构延性措施的定量化，需要在震害总结、理论分析和试验研究的基础上，从综合抗震能力，即结构所吸收的地震能量的监督，提出现性规范中各种构造规定的影响系数，并通过大量的试算、比较、和分析，予以确认。现阶段，还需进一步收集资料并加以整理。

本文只是对结构抗震措施定量化所需考虑的一些问题做初步的探索。现行设计规范中，砌体结构尚无明确的抗震构造分级概念，钢筋混凝土结构的抗震登记与变形有所联系，但仍无明显的定量关系，尤其是没有与构件的变形能力相联系。此外，一个高层建筑结构，上部楼层的抗震等级与下部楼层的抗震登记相同，显然有待进一步细化。■