浅论建筑防震设计方法与措施

【摘 要】本文主要对我国当前普通建筑抗震设计中存在的问题进行论述，并从普通建筑抗震设计中一些可靠度方法及不规则建筑进行分析，且根据笔者多年来的工作经验提出相关措施。

【关键词】抗震设计 多安全系数 层间位移角限值

0引言

随着社会的发展，地震灾害在我国最严重的之一。半个世纪以来，建筑抗震设计方法是随着地震学、动力学、建筑分析和建筑试验等的进步而有的，同时在震害调查、学习和借鉴其它国家先进经验的过程中不断成熟。目前，在普通建筑抗震设计中如何做好抗震设计工作就必须从我国的地震环境和社会发展的实际情况出发，不断提高普通建筑抗震设计的水平，使之更安全可靠、更合理经济，是建筑抗震工作者的重要任务。

1、建筑抗震设计中相关方法的适用性

强烈地震尤其是大震级地震是破坏性很大但发生几率很小的小概率事件。我国是地震多发国家，大部分地区都受到破坏性地震的威胁。新中国成立以来，发生过 1976 年 7. 8 级的唐山大地震和 2008 年8级的汶川大地震，造成了人民生命和财产的极大损失。同时，也应当看到，大多数抗震设防区的建筑物在其整个服役期间并未遭受较大地震的袭击。

半个世纪以来，地震学有了长足的发展，然而人们对地震动机理的认识不能不说还十分肤浅。抗震设计中竖向荷载、风荷载、材料的力学性能等的随机性可通过大量的实测数据和试验数据的统计分析获得，对工程设计来说，已可足够准确地掌握其统计规律和特征。而地震则完全不同，强震发生次数不多，在同一地区重复发生的机会更少，无从进行工程意义上的有价值的统计分析，由于其难以把握的不确定性，使可靠度设计方法失去最基本的依据。除了地震输入，建筑响应的不确定性也是明显的，其中最主要的是地基与基础间的相互作用以及地震过程中建筑自身动力特性的变化。当前，将地震视为一随机过程已为工程界所接受，但将非平稳的随机过程视为与时间无关的平稳随机过程，并以最简单的、一个参数即可表达地震发生的概率分布的泊松模型来描述这个随机过程，实际上并没有足够的、由实际发生的地震统计数据的支持。迄今为止，还没有较可靠的方法来预估未来一段时间可能发生地震的强度、频谱特性及持时等对建筑反应有决定性影响的要素。从某种程度上说，地震作用实际上是“给定的”，与当前对地震的认识水平相对应所能达到的可靠性相关，还与社会的经济发展水平相关。当前建筑构件抗震承载力表达式除了形式上与建筑抗力相似，并不存在抗震设计承载力极限状态的可靠度，其根本原因就在于地震作用及其效应的难以估计。

2、采用设防烈度地震动参数进行建筑构件承载力设计

我国 GBJ 11―1989《建筑抗震设计规范》颁布并沿用至今的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计原则已经受了历史的考验，与当今世界上抗震设计较先进的国家如美国、日本、欧洲等大致相同。所不同的是，他们以设防烈度地震即中震的地震动参数进行构件的承载力设计，我国则以多遇烈度地震即小震作为设计依据。前者验算中震作用下建筑构件的安全性，同时也就保证了“小震不坏”； 后者辅加各种以小震作用组合及地震作用调整系数进行建筑构件的承载力设计，满足较大安全系数的小震组合的承载力要求，也就保证了“中震可修”，从最终结果看，有安全度的高低，但并无原则性的差别。但是，采用小震地震动参数有如下缺点：

（1） 借鉴和学习其它国家的抗震设计的经验和方法是提高我国抗震设计水平的途径之一。决定建筑构件抗震承载力安全度高低的主要因素有： 地震作用的大小； 建筑材料强度的取值； 安 全 系 数 的 大小。虽然其它国家的做法各有特点，但由于地震作用取值存在较大的差别，还是不方便进行横向比较和彼此间的交流。

（2） 与美、日、欧洲等国家的抗震设计原则类似，我国也以“中震”作为设防目标，但却用小震作用进行建筑构件承载力设计，并又考虑了各种与抗震等级相关的内力增大系数。地震作用取值小，调整系数多，对应于给定可靠指标的、小至 10- 4 ～ 10 -3 量级的失效概率不便于设计人员对建筑总体及关键构件安全度的直观把握。

3、不规则建筑的应对措施

结构工程师总希望所设计的建筑规则、对称、传力路径直接、简单。但由于业主、建筑师对使用功能及建筑平、立面的多样化要求，不可避免地造成建筑复杂和建筑体型的不规则。如何最大限度地满足业主、建筑师的要求，同时又确保建筑的抗震安全性，是建筑工程师所要面对的挑战。考察美国、日本等国关于不规则建筑的应对措施，有一定的学习和参考价值。美国著名学者 Wilson指出： “当实施三维动力分析时，不必区分规则建筑与不规则建筑。如果建立了一个精确的三维计算机模型，刚度和质量的垂直与水平的不规则性及已知的偏心率将会引起振型的位移和旋转分 量 进 行 耦合。基于这些耦合振型上的三维动力分析会产生较大的力且产生远比一般建筑更复杂的反应，有可能以规则建筑相同的精确度和可靠度对一个非常不规则的建筑预测动态力的分布。因此，如果一个不规则的建筑设计是基于一个实际的动态力分布，那么在逻辑上就没有理由认为它将会比使用相同的动态荷载设计的规则建筑具有任何更低的抗震能力。资料记载表明，许多不规则的建筑在地震期间显示了较差的性能，这是因为它们的设计通常是基于近似二维静力分析的。”[3] 基于这样的认识，美国规范如UBC 1997应对建筑平面及竖向不规则的措施显得十分简单： 将建筑平面及竖向不规则的定量判别标准作为能否采用静力分析方法即基底剪力法的判据，规则建筑可以采用静力分析方法即基底剪力法，不规则建筑应当采用三维动力分析方法。日本则规定在第二级设计时，不规则建筑的基底剪力应乘以系数 Ces= Ce Cs ，其中偏心系数 Ce= 1. 0 ～ 1.5，视偏心率的大小而定，刚度均匀系数 Cs= 1. 0 ～ 1. 5，与楼层的侧向刚度比相关，即不规则建筑视其不规则的程度，设计基底剪力增大 1. 00 ～ 2. 25 倍。这是两种应对不规则建筑的思路和方法： 或者建立较少假定的、符合建筑实际情况的三维计算机分析模型，能较准确地捕捉建筑的动态力分布； 或者采用较简化的方法，但加大设计地震作用来考虑其不利影响。

4、结语

本文仅就建筑抗震设计的一些原则性问题作概念性的讨论。我国的建筑抗震工作已经取得很大的成就，要在已有的基础上得到进一步的改进和发展，则不但关乎工程技术，也关乎公共政策。我们期望，随着社会经济的发展、国力的增强，适当提高普通建筑的安全度和耐久性，从而使建筑有更多的“保有耐力”来抵御发生概率小、破坏性大的强震； 在地震高烈度区的乡村，普及简易的房屋抗震基本构造，对贫困农民自建房有必要的资金扶持； 在工程技术方面，加强建筑抗震设计的基础研究，为新一代设计规范的修编提早做准备，例如，期望地震学有长足的进步，避免或减少在 6、7 度设防区发生 10、11度的大震； 又如，研究建筑构件延性与整体建筑延性的拓扑关系，为确定地震作用-延性等级组合提供依据等等。

参考文献

[1] 陈肇元 . 混凝土建筑的安全性与规范的可靠度设计方 法 [J]. 建 筑 技 术，2001，32 （ 10 ） ：

[2] GB 50011―2010建筑抗震设计规范[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2010.