建筑抗震理论与设计技术发展及研究

建筑抗震理论与设计技术发展及研究摘要：近年来，我国在抗震技术的各个领域都取得了长足的进步，并制定了相应的标准规范。但与国际一些发达国家相比，在抗震的理念及技术方面还有一定的差距。本文介绍我国抗震技术发展的同时，重点放在发展展望，希望能通过借鉴日本等发达国家的抗震设计理念来完善我国建筑的抗震设计体系。

关键词：建筑；抗震理论；抗震设计

2008年5月12日，四川省汶川县发生里氏8.0级的大地震。地震给四川和周边各省及自治区造成巨大的生命财产损失。地震波及范围更远至北京、上海等城市。据最新统计数字显示，仅四川省就有近7万人在大地震中遇难。地震的发生会带来各种各样的自然灾害，发生在陆地会造成山崩地裂，发生在海底会带来巨大海啸，而发生在城市，就可能造成房屋和桥梁的倒塌。汶川大地震给四川多个城市带来了巨大的影响，成都、都江堰、北川、映秀等地遭受了不同程度的破坏，其中北川县城被夷为平地，无数房屋的倒塌也造成了无数的人员伤亡。距估计此次地震灾难的遇难者，绝大部分的死因都是房屋的倒塌。这次灾难的发生，把人们的关注聚焦在房屋的抗震问题上。如何利用现有的经验，结合实际，研究创造出新颖、有效的抗震技术，成为建筑界当前一大重要课题。几十年来，我国在抗震技术的各个领域都有长足的进步，就目前的水平可以与国际接轨，某些方面还处在领先水平。但仍有值得改进的方面。

1抗震基础理论的发展与研究

地震烈度是衡量地震强烈程度的尺度，也是表征地面和结构物破坏程度的尺度。我国解放初期没有自己的地震烈度表，50年代后才制定了《新的中国地震烈度表》。1970年后又制订了《中国地震烈度表》(1980)。但是，工程界应用烈度概念来衡量地震对结构的破坏程度，既作为工程设计时的依据和目标，又是地震时结构破坏的宏观结果，在概念和逻辑上均有所含混。虽然《中国地震烈度表》(1980)采用了地面加速度峰值和速度峰值作为烈度的物理指标，然而问题似乎尚未完全解决。因此，地震的工程标准问题还有待进一步完善和改进。

在抗震分析理论的研究方面，近些年来也取得明显进展，结构弹塑性理论分析作为一种较精细的抗震分析方法目前已得到应用

和推广；建筑结构的变形计算与控制在抗震设计中也越来越受到重视。唐山地震后对于大震作用下如何防止房屋倒塌，对薄弱层进行弹塑性变形分析验算是必不可少的。客观需要促进了建筑结构变形计算的研究和设计，从而成为抗震动力学的新分支。非线性地震反应谱的研究作为工程地震反应研究中的基础性工作，在我国开展较早。80年代初，我国研究了延性谱和位移比谱，延性谱是以延性系数为谱值坐标的非弹性位移谱，位移比谱表示了弹塑性结构最大位移反应与相应弹性结构最大位移之间的关系。非线性地震反应谱方面的研究涉及地震与结构基本特性的关系，它不仅为抗震设计验算

提供了准则概念和参数基础，而且加深了对复杂地震运动与结构破坏相互关系的进一步认识。我国还对在多维和多支座地震输入下结构的反应及结构的扭转反应进行了研究，并取得了重要成果。

2抗震设计发展与研究

2.1抗震设计发展

1）工程结构：工程结构的抗震试验研究工作在我国大体从60年代后期开始，一般只进行过静力水平力模拟试验。1976年唐山地震以后，对各类结构展开了全面的试验研究工作。随着试验装备的更迭，引进和国内自行研制了仿静力试验装置、模拟地震振动台等先进设备，对结构构件和整体房屋模型进行了数量众多的试验研究，从而取得了一系列极有价值的成果，为推动我国工程结构的抗震理论发展和抗震设计的完善奠定了基础。

2）砌体结构：在砌体结构抗震方面，通过在砌体中设置钢筋混凝土构造柱的单片墙和整体房屋模型试验研究，证明构造柱作为约束砌体的有效构件在防止房屋突然倒塌时有良好作用，为设计构造提供了可靠依据。先后出现了剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构等结构体系，促进了多层和高层建筑抗震设计的应用和发展。

2.2现阶段我国与国外抗震设计对比研究

2.2.1我国及主要大国的抗震设计

1）在抗震设计方法中，我国规范采用的是基于概率理论的极限

状态设计法；“89规范”和现行规范（gb50011—2001建筑抗震设计规范）采用二阶段设计实现“三水准”的设防目标：第一阶段设计是“小震”水准的强度验算和弹性变形验算，第二阶段设计是“大震”水准下的弹塑性变形验算。

2）日本规范对第一设防水准的设计地震作用下的抗震验算，采用容许应力设计进行强度验算，同时还要验算各层的层间角变位是否满足要求；对于第二设防水准的设计地震作用，验算采用极限分析所获得的楼层极限承载能力是否大于规定的必要的极限承载能力，而建筑物的必要极限承载能力的值随该建筑物延性大小而变化。在必要极限地震剪力的计算公式中，引入了修正系数，称为结构特征系数，以考虑结构延性对地震弹性反应谱的折减。

2）美国规范（如seaoc、ubc—97）规定的设计水准为50年超越概率为10%的地震（相当于我国的“中震”），并在此水准下进行结构的承载力验算和变形验算，地震作用计算中引入了折减系数r，以考虑结构延性和超强的影响。

3）欧洲规范（eurocode8）引入所谓的结构性能系数q对弹性地震力进行折减。结构性能系数q用于反应结构延性的影响，而且在理论上与结构位移延性系数和结构的自振周期有关。

2.2.2我国抗震设计借鉴方向

(1)借鉴方向选择

我国抗震规范所采取的技术路线与欧洲、美国和日本等国既有

类似之处，也有不同之处。四川汶川地震暴露出我国在学校等大型公共建筑抗震设防上的不足，我国学校的设计和建设，是按标准走的，问题在于没有提高标准。学校在抗震方面存在几个先天缺陷：一是房间大，二是窗户大，三是走廊长，缺少墙面支撑，抗震能力就弱。而日本的学校、医院等大型公共建筑则是抗震设防最高的建筑，在地震灾害时，能作为临时避难所使用，大大降低地震灾害损失，提高抗震救灾应急能力。因此，笔者认为，可借鉴日本等多震国家的抗震规范，提高学校等大型公共建筑的抗震级别。

(2)论国外先进抗震理念及技术

1）重视学校建筑抗震：日本防震有一个基本原则，就是“学校是第一避难所”，所有的房子都可以倒，学校的房子不能倒。这也是日本总结历次地震灾害教训的结果。日本校舍多采用钢骨架，可以起到弹性防震作用。日本的学校是防灾的中心，是市民最放心的躲避灾害场所。

2）采用先进材料：在日本，许多高层公寓采用了与高层写字楼同等水平的抗震设计。有些公寓还使用了刚性结构抗震体。如遇阪神大地震级别的地震发生时，柔性结构的建筑一般要摇动1m左右，而刚性结构建筑只摇动30cm。三井不动产公司在东京都杉并区出售的一座免震结构公寓高达93m，建筑物的外围使用了新研制的高强度16积层橡胶，建筑物的中央部分使用了天然橡胶系统的积层橡胶。这样，在6级地震发生时，就可将建筑物的受力减少至二分之