建筑抗震設計現(xiàn)狀及發(fā)展

周宇程 孫恩陽

（福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002）

引言

隨著我國改革開放以來，城市化的進程加快，人民生活水平的上升，人們對建筑質(zhì)量和安全的要求和重視程度也越來越高。

地震作為自然災害的一種，不斷在世界各地造成危害，當?shù)卣鹫鸺夁_到7級及以上時，會對人民群眾的生命安全及經(jīng)濟造成巨大損失。在2008年5月12日的汶川8.0級地震，截至2008年9月18日12時，共造成69227人死亡，374643人受傷，17923人失蹤。這次地震之所以造成如此重大的損失，一方面是由于許多受損房屋建造時間較早，沒有經(jīng)過正規(guī)的抗震設計，并且施工質(zhì)量較差；另一方面是因為根據(jù)中國建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2001中的分類，四川省汶川、都江堰所在地區(qū)抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，遠遠低于汶川地震實際烈度。所以抗震設計對建筑來說，一直是不可或缺的一環(huán)，發(fā)展好建筑的抗震技術，不僅可以降低地震對建筑、人類財產(chǎn)安全的危害，而且對維護社會和諧穩(wěn)定發(fā)展有著重要意義，因此有必要進行抗震設計。

目前基于規(guī)范，研究人員提出的抗震設計的方法繁多，各有側重，以至實際設計時難以選擇。并且隨著時代變遷，抗震設計的思路也發(fā)生了變化，隨著科技、理論發(fā)展，當前又出現(xiàn)了很多新的發(fā)展方向需要進一步去探索。因此，本文對抗震設計的現(xiàn)狀進行總結，分析目前建筑抗震設計的不足，并基于當前時代的科學技術，提出了未來的發(fā)展方向。

一、抗震設計現(xiàn)狀

1．抗震設計原則

1.1 結構形式簡單

在進行建筑結構設計時，盡可能將整體結構簡單化，提高抗震性能，簡單的結構可以減少復雜的力學計算，得到比較精確的數(shù)據(jù)，可以更加精準地分析建筑結構受地震作用的影響，且簡單的結構平衡性能好，便于工作人員設計、施工及震后維修，同時可以減小地震帶來的危害和損失。如果設計復雜，容易忽視細節(jié)問題，且力學計算極為繁瑣，增加設計難度和成本，造成材料浪費，不利于提高結構的抗震性能。比如，為了有效避免建筑結構的變形現(xiàn)象，相關工作人員在對民用建筑結構進行設計時，要在建筑平面的主軸方向上確定最適合的強度和剛度，從而使建筑的穩(wěn)定性得到有效保障[1]。

1.2 注重整體性

整體性原則是抗震設計原則中最重要的原則之一。因此，在進行建筑設計時，需要根據(jù)建筑場地及自身設計特點等因素從整體出發(fā)，處理好各個結構的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，確保建筑各個結構連接良好、受力均勻，從而保障抗震效果。不要局限于小部分區(qū)域，忽視整體抗震性，因局部損壞而導致整體破壞，造成“因小失大”的局面。例如，有的設計工作人員為了讓建筑的底層有很大的空間，忽視了建筑抗震墻設計，就會致使設計方案中，抗震墻空間不齊、大小不均勻，砌體部分和下部的墻體不能完美對接[2]。

1.3 結構的合理布置

合理布置結構是設計人員在房屋建筑物結構抗震設計過程中必須考慮的因素之一，抗震技術的實施，是建立在建筑設計合理的基礎上的[3]。一般來說，高層建筑物主要會受到來源于水平方向的荷載或力的作用。對于框架結構，結構設計師要保證結構的節(jié)點不容易被破壞，梁、柱結構分配應該合理，保證梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)的時間盡可能分散。工程師應結合具體的需要選擇合適的結構形式，按照“強柱弱梁”“強剪弱彎”“強節(jié)點弱構件”的原則進行設計，以合理的布置來保證結構的剛度，這對建筑結構的抗震性能有著極大的保障。

1.4 合理傳力路徑

建筑結構自身傳力路徑清晰是保證結構受力合理的根本。合理的傳力路徑需要依托力學原則，控制水平向和豎直向的傳力直接，避免在地震作用下某些構件出現(xiàn)來自各方向的力，最大程度上降低地震對建筑的影響。

2．結構抗震試驗方法

基于上述四大原則可以設計絕大部分的建筑結構，但是有時需要設計超高層，及特殊結構布置的結構，例如，上海中心等，這時設計就需要結合試驗來進行抗震設計。

目前常用的抗震試驗分析方法有擬靜力試驗法、擬動力試驗法以及地震模擬振動臺試驗方法等[4]。這三種方法基本可以滿足抗震分析，但在實際的情況中需要結合需求選擇適當方法。

擬靜力試驗法，通過對結構正、反兩個方向進行多次往復循環(huán)加載和卸載，可以模擬地震時結構的受力和變形情況，對試驗設備的要求較低，計算方法簡單，參數(shù)容易確定，使用范圍廣泛，但是不適用于土體剛度在地震過程中明顯降低及產(chǎn)生液化的場合，不能很好地模擬出真實的地震效應。

地震模擬振動臺試驗，將試驗試件置于振動臺上，輸入地面活動，模擬地震對試件產(chǎn)生的作用，可以很直觀地觀察到在地震時試件破壞的全過程及結構破壞的細致情況，但需要大量的資金投資在設備上，試驗成本高。

擬動力試驗，又稱“計算機—加載器聯(lián)機試驗”，是將計算機的計算和控制與結構試驗有機地結合在一起的一種試驗方法[5]。結合了擬靜力試驗和地震模擬振動臺試驗的優(yōu)點，通過電子計算機轉換，使用作用在結構或構件上的位移和相應加振力來反映地震地面加速度，可以反映真實的地震效果，但仍存在差異。

二、抗震設計存在的問題

1．建筑抗震設計標準滯后

我國發(fā)展至今，遭受了幾次地震帶來的嚴重影響，例如，河北唐山大地震、四川汶川大地震、海源地震、四川雅安地震，自此后，國家對建筑抗震性能的重視程度明顯提高了很多，在制訂和完善建筑抗震規(guī)范的過程中，學習了大量國外的抗震標準以及建筑的現(xiàn)代結構理論，對抗震性能進行深層次的研究，據(jù)我國《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，我國建筑的抗震目標是“減輕建筑物的地震破壞，避免人員死亡，減少經(jīng)濟損失[6]。”在這樣的大前提下，建筑的抗震能力要基本符合三個要求，“大震不倒，中震可修，小震不壞”。但是我國建筑業(yè)起步較晚，相比于眾多發(fā)達國家，在抗震標準的完善及相關技術的應用方面仍有著不小的差距。當前的抗震設計目標已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，人們對于小震的舒適度有更高的要求，對于中震可修，也提出更高的要修，希望能夠快速修復，避免造成很多間接損失。例如，九寨溝地震災后重建花費了大約兩年的時間。2017年11月8日，九寨溝災后重建工作正式啟動，2019年9月27日，九寨溝景區(qū)試開園，再度迎客。兩年時間內(nèi)九寨溝景區(qū)無法接待游客，間接引起巨大的經(jīng)濟損失。由此可見，人們對于抗震設計的需求已經(jīng)從過往的保障人民生命財產(chǎn)安全，轉向了降低地震效應提高舒適度，以及加快維修減少震后損失。

2．抗震設計與建筑美學的平衡問題

在建筑設計中，人們對于美學、實用性以及結構高度方面不斷提出更高要求，這不可避免會引起結構布置的復雜性，可能會出現(xiàn)設計的建筑結構不對稱，剛心、質(zhì)心雙心不重合。這使得在地震中結構易發(fā)生偏移、扭轉，導致建筑的穩(wěn)定性、安全性達不到標準。現(xiàn)階段我國建筑工程抗震設計工作主要建立在原有建筑結構設計體系之上的優(yōu)化處理，這導致抗震設計存在較多的局限性[7]，傳統(tǒng)的抗震設計方法無法滿足新時代建筑的需求。因此，更加需要發(fā)展科技，使得抗震設計能夠滿足安全與美學的平衡。

三、發(fā)展和展望

1．提高結構的延性

延性是抗震性能中至關重要的要素，延性過小容易造成由脆性破壞導致的倒塌。延性構件在地震的作用下，會打破原有的超靜定狀態(tài)，產(chǎn)生內(nèi)力重分布，所以高延性結構可以有效提高抗震能力，并且有良好的吸收地震能量的作用[9]。例如，使用高延性材料，保證結構在彈性形變下，延性不會有大幅度的變化；在由梁、柱等構件所構成的框架結構中，可以通過提高梁、柱的延性，提高結構的延性。在結構設計中，增強結構平面突變處和轉角處的延性，增強薄弱樓板延性，增加首道抗震防線部分的構件延性[8]，均可以達到提升結構整體延性的目的。另外，在剪跨比大于2的情況下，擴大柱截面來減小軸壓比，也是一種提高構件延性的措施。新時代的建筑需要在融入新技術的同時保持一定的延性，使得結構具有充分的安全保障。

2．采用高性能新型材料

高質(zhì)量的抗震材料在歷次地震災害中比傳統(tǒng)的磚石材料表現(xiàn)得更為突出。材料的選擇對建筑物的壽命和抗震性能有著重大影響，不同建筑材料有著不同的成分，對建筑的穩(wěn)定性也有著不同的影響，所以應選擇高質(zhì)量的水泥，新型復合纖維混凝土。比如，ECC的超強韌性使之成為一種很好的消能減震材料，可以在高層建筑中以預埋件的形式作為消能抗震構件使用，有效提高結構的安全[9]。未來應加大發(fā)展新型抗震材料的力度，促進抗震設計發(fā)展。

3．設置多道抗震防線

設置多道抗震防線，在建筑設計中可以顯著提高建筑物的抗震性能。比如，一種帶有可更換連接的連柱框架結構體系，與可更換連接相連的兩排連柱構成側向力下的第一道防線，框架結構作為第二道防線。在彈性階段，結構保持彈性；在快速修復階段，連柱系統(tǒng)的可更換連接發(fā)生剪切塑性破壞；在防止倒塌階段，框架結構產(chǎn)生塑性變形[10]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果表明，這種設置多道抗震防線的方法能夠起到更好的抗震效果，特別是在震級較強、余震較多的情況下[11]。在第一到防線被破壞時，第二道，第三道乃至第四到防線都可以用來抵消地震的影響，直到地震停止。以數(shù)量防護質(zhì)量，提高建筑物的抗震性能。

4．建筑結構振動控制

利用結構振動控制技術，提高建筑的抗震性能。目前常用的振動控制技術有消能減震技術和隔震技術等，可通過在建筑結構中合理布置減震器及設置隔震層，吸收地震的絕大多數(shù)能量，來實現(xiàn)減小結構地震響應的目的。在振動控制的設計中，可以利用共振原理，將地震作用吸收到耗能裝置上[12]。再通過耗能裝置消耗地震能量，起到減震的效果[13]。

四、結語

本文對建筑抗震設計的現(xiàn)狀及問題總結，分析抗震設計的設計原則和抗震設計目前常用的試驗方法，指出抗震存在設計標準滯后，設計與美學的平衡問題，并提出了對抗震設計的發(fā)展和展望，需要在保持一定結構延性的同時，使用高性能抗震材料，設置多道抗震防線，發(fā)展建筑結構振動控制方法，使得抗震設計問題得到有效改善，滿足人們的需求。