抗震概念设计

结构抗震分析李爱群第二部分结构抗震概念设计结构概念设计是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能。即根据对结构品性（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。抗震概念设计包括正确的场地选择，合理的结构选型和布置、正确的构造措施等。强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异。这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力、变形情况，并确保结构安全可靠。结构抗震设计存在的不确定因素主要有：1．地面运动的不确定性。地震时的地面运动是多维的，地震动的各个分量对建筑物都起破坏作用。历次地震中强震仪已经多次记录到地面运动的三个正交平动分量，即一个竖向分量和两个水平分量，此外还有地面运动的转动分量。2．结构分析的影响。影响结构动力特性和动力反应的因素：质量分布的不确定性；基础与上部结构的协同作用；节点的非刚性转动；偏心、扭转及P—Δ效应；柱轴向变形。考虑或不考虑节点非刚性转动的影响程度可达5%—10%；考虑柱轴向变形，自振周期可能加长15%，加速度反应可能降低8%；考虑P—Δ效应可能增加位移10%。3．材料的影响。混凝土的弹性模量随着时间及应变程度而改变。随着时间的增长，混凝土的弹性模量比施工完成后可能降低50%，在应变增大的情况下还可能继续降低，这意味着自振周期可能增长25%，减小加速度反应10%。4．阻尼的变化。钢筋混凝土结构阻尼比一般为5%，但当受震松动以后阻尼比可达20%—30%，自振周期差异达50%左右。5．基础差异沉降的影响。按一般荷载设计的框架结构，当地震系数采用0.10，基础差异沉降1cm可能造成设计弯矩72%的误差，而这种误差在设计中一般未予考虑。6．地基承载力。考虑地震的偶然性以及短期突然加载的影响，在计算地震对地基的影响时，地耐力取值往往提高33%—50%，这些数值都是人为估计，从而也带来设计上的差异。因此目前抗震设计水平远未达到科学的严密程度。要使建筑物具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面入手，做好抗震概念设计。如果整体设计没有做好，计算工作再细致，也难免在地震时建筑物不发生严重的破坏，乃至倒塌。20余年以来，世界上一些大城市先后发生了若干次大地震，通过震害分析对建筑物的破坏规律有了更多的认识，从而取得了抗震设计经验，确定了结构抗震概念设计的要点。一、避开抗震危险地段，选择抗震有利地段选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。抗震危险地段指地震时可能发生崩塌（如溶洞、陡峭的山区）、地陷（如地下煤矿的大面积采空区）、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生错位的断层。就地形而言，一般指突出的山嘴、孤立的山包和山梁的顶部、非岩质的陡坡、高差较大的台地边缘、河岸和边坡边缘。就场地土质而言，一般指软弱土、易液化土、断层破碎带以及成岩、岩性、状态明显不均匀的地段等。图1表示通海地震烈度为10度区内房屋震害指数与局部地形的关系。图中实线A表示地基土为第三系风化基岩，虚线B表示地基土为较坚硬的粘土。同时，在海城地震时，从位于大石桥盘龙山高差58m的两个测点上所测得的强余震加速度峰值记录表明，位于孤突地形上的比坡脚平地上的平均达1.84倍，这说明在孤立山顶地震波将被放大。图2表示了这种地理位置的放大作用。图1房屋震害指数与局部地形的关系曲线图2地理位置的放大作用天津塘沽港地区，地表下3—5m为冲填土，其下为深厚的淤泥和淤泥质土，地下水位为－1.6m。1974年兴建的16幢3层住宅和7幢4层住宅，均采用片筏基础。1976年唐山地震前，累计沉降分别为200mm和300mm，地震期间沉降量突然增大，分别增加了150mm和200mm。震后，房屋向一边倾斜，房屋四周的外地坪地面隆起，如图3所示。图3软土地基上房屋的震害二、减少能量输入1．薄的场地覆盖层。我国建筑抗震设计规范将场地覆盖层厚度定义为地面至坚硬场地顶面的距离，坚硬场地包括岩石或剪切波速大于500m/s的坚硬土层，但硬夹层或孤石堆等不得作为基岩对待。国内外多次大地震表明，对于柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻，直接座落在基岩上的震害更轻。1923年日本关东大地震，东京都木结构房屋的破坏率，明显地随冲击层厚度的增加而上升。1967年委内瑞拉加拉加斯6.4级地震时，同一地区不同覆盖层厚度土层上的震害有明显差异，特别是9至12层房屋在厚的冲积土层上房屋破坏率要高得多。图4表示了1967年委内瑞拉加拉加斯地震时房屋破坏率与覆盖层厚度的关系。从图中的震害调查的统计数据表明，当土层厚度超过160m时，10层以上房屋的破坏率显著提高，10—14层房屋的破坏率，约为薄土层上的3倍，而14层以上的破坏率则上升到8倍。图4房屋破坏率与覆盖土层厚度的关系2．坚实的场地土。场地土是指场地范围内的地基土，平面上大致相当于一个厂区或自然村的大小，深度一般为地面下15米。震害表明，场地土刚度大的，房屋震害指数小，破坏轻；刚度小的，震害指数大，破坏重。此外，对于具有较长周期的高层建筑，位于软土上时，地震输入能量要比位于硬土上的大得多。因此，就减少地震能量输入这一点而言，有条件时，应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土。表1给出了1985年墨西哥8.1级地震时所记录到的不同场地土的地震动参数。从表中实测的地震记录结果表明，不同类别场地土的地震动强度有较大的差别。古湖床软土上的地震动参数，与硬土上的相比较，加速度峰值约增加4倍，速度峰值增加5倍，位移峰值增加1.3倍，而反应谱最大反应加速度则增加了9倍多。图5中将1985年墨西哥地震中岩层上和湖泊沉积层的相邻点处记录得到的加速度作了对比，可以看出，由于老湖泊基床沉积层使得这些峰值加速度增大了5倍。场地土类别地震动卓越周期（s）水平地震动参数结构（5%阻尼比）最大反应加速度（g）加速度（g）速度（cm/s）位移（cm）岩石＜0.50.03960.12硬土≤1.00.041090.10软硬土过渡区1.00.111270.16软土①（古湖床）2.00.2061211.02软土②（古湖床）3.0～4.00.1440220.43表1墨西哥市区不同场地土的地震动参数注：①震害最重地区，土的剪切波速Vs=20～50m/s；②Texcoco湖附近。图5湖泊基床（1-3）和基岩（4-6）加速度对比3．将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。如果建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相等或相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。1977年罗马尼亚弗兰恰地震，地震动卓越周期，东西向为1.0s，南北向为1.4s。布加勒斯市自振周期为0.8至1.2s的高层建筑破坏严重，其中有不少建筑倒塌，然而该市自振周期为2.0s的25层洲际大旅馆几乎无震害，且墙面装修也未损坏。因此，在进行建筑设计时，首先估计建筑所在场地的地震动卓越周期；然后，通过改变房屋类型和结构层数，使建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相分离。研究表明，利用场地周期可估计地震动的卓越周期。场地卓越周期由覆盖土层厚度和场地平均剪切波速确定，其基本周期为0.2—4.0s。场地卓越周期T0按下式计算：对于单一土层，对于多层场地土，式中，H、hi—单一土层或多层土第i土层的厚度；Vs、Vsi—单一土层或多层土第i土层的剪切波速。根据《抗震规范》的规定，场地土的计算深度一般为15米，且不大于场地覆盖层厚度，因此H≤15m（∑hi≤15m）。svHT40siivhT40建筑物自振周期的经验公式：1．基于脉动实测的统计公式自振周期的经验公式是根据实测统计，在脉动或激励下，忽略填充墙布置，质量分布差异等，在初步设计时，可按下列公式计算：（1）高度低于25m具有较多的填充墙框架办公楼、旅馆的基本周期（2）高度低于50m的框架—抗震墙结构的基本周期（3）高度低于50m的规则钢筋混凝土抗震墙结构的基本周期（4）高度低于35m的化工煤炭工业系统框架厂房的基本周期式中，H为房屋的总高度，当房屋不等高时，取平均高度；B为所考虑方向房屋总宽度。这些公式均比脉动实测平均值大1.2—1.5倍，以反映地震时与脉动测量的差异。因为脉动法仅反应了微小变形下的结构动力特性，一些非结构部件也参与工作，使刚度增加，周期减小。3135.022.0BHT32100069.033.0BHT31038.004.0BHT35.210015.029.0BHT2．近似的估算公式在基于脉动实测的基础上，再忽略房屋高度和层高的影响，可给出下列更粗略的估算公式：（1）钢筋混凝土框架结构，T1=（0.08～0.10）N；（2）钢筋混凝土框架—剪力墙或框架—筒体结构，T1=（0.06～0.08）N；（3）钢筋混凝土剪力墙结构或筒中筒结构，T1=（0.04～0.05）N；（4）钢—钢筋混凝土混合结构，T1=（0.06～0.08）N；（5）高层钢结构，T1=（0.08～0.12）N；式中，N为地面以上房屋总层数。4．采取基础隔震措施。利用隔震技术改变结构的动力特性，减少地震能量的输入，减小结构地震反应，以达到防震的目的。实际中采用的隔震方案有橡胶垫式隔震、滑移式、摆动式隔震、悬吊式隔震等。三、有利的房屋抗震体型1．平面宜简单。结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径，使计算分析模型更易接近实际的受力状态，所分析的结果具有更好的可靠性，据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证。地震区的建筑平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形次之（图6）。三角形虽也属简单形状，但是，由于它沿主轴方向不对称，在地震作用下容易发生较强的扭转振动，对抗震不利。此外，带有较长翼缘的L形、T形、十字形、Y形、U形和H形等平面也对抗震结构性能不利，主要是此类具有较长翼缘平面的结构在地震动作用下容易发生图7所示的较大的差异侧移而导致震害加重。图6简单的建筑平面图7L形建筑的差异位移根据1985年墨西哥地震震害资料，墨西哥国家重建委员会首都地区规范与施工规程分会分析了房屋破坏原因，按房屋体型分类统计得出的地震破坏率列于表2。从表中可以看出，拐角形建筑的破坏率很高，高达42%。表2墨西哥地震房屋破坏原因建筑特征破坏率（%）拐角形建筑42刚度明显不对称15低层柔弱8碰撞152．立面变化要均匀，即建筑的质量和刚度变化要均匀。结构布置不均匀产生刚度和强度的突变，引起竖向抗侧力构件的应力集中或变形集中，将降低结构抵抗地震的能力，地震时易发生损坏，甚至倒塌。例如，由于建筑的竖向收进，地震时收进处上下部分振动特性不同，易于在收进处的楼板产生应力突变，使竖向收进的凹角处产生应力集中。图8和图9表示了一组不利的竖向布置形式和受到推荐的竖向布置形式。图10表示了楼层刚度的变化给结构带来的不利影响。图8竖向布置形式图9刚度沿高度的变化图10楼层刚度变化带来的不利影响1971年美国圣菲南多地震，Olive-View医院位于9度区，主楼遭到严重破坏。它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑的典型震例，其教训值得借鉴。该主楼是六层钢筋混凝土房屋，其剖面如图11所示。该幢建筑三层以上为框架—剪力墙体系，底层和二层为框架体系，而二层有较多的砖隔墙。该结构上、下层的侧向层间刚度相差约为10倍。地震后，上面几层震害很轻，而底层严重偏斜，纵向侧移达600mm，横向侧移约600mm，角柱出现严重的受压酥碎现象。图11Olive—View医院主楼剖面根据均匀性原则，建筑的立面也应采用矩形、梯形和三角形等非突变的几何形状（图12）。突变性的阶梯形立面（图13）尽量不采用，因为立面形状突变，必然带来质量和侧向刚度的突变，在突变部位产生过高的地震反应或大的弹塑性变形，可能导致严重破坏，应在突变部位采取相应的加强措施。图12良好的建筑立面图13不利的建筑立面（a）大底盘建筑（b）阶梯形建筑3．合适的房屋高度。一般而言，房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也就愈大，各