地震區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)防與不設(shè)防,震后結(jié)果大不一樣。要使工程建設(shè)真正達(dá)到能夠減輕以至避免地震災(zāi)害,把握好抗震設(shè)計關(guān)是減輕地震災(zāi)害的根本措施。文章根據(jù)實踐經(jīng)驗和對有關(guān)資料的總結(jié),對多層及高層鋼筋混凝土房屋的抗震設(shè)計問題進(jìn)行了研究和探討。

　　地震是人類在繁衍生息、社會發(fā)展過程中遇到的一種可怕的自然災(zāi)害。強(qiáng)烈地震常常以其猝不及防的突發(fā)性和巨大的破壞力給社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生存安全和社會穩(wěn)定、社會功能帶來嚴(yán)重的危害。據(jù)統(tǒng)計,歷史上各種自然災(zāi)害曾毀滅了世界各地52個城市,其中因地震而毀滅的城市有27個。地震之外的其它各種災(zāi)害,如水災(zāi)、火災(zāi)、火山噴發(fā)、風(fēng)災(zāi)、沙災(zāi)、旱災(zāi)等毀滅的城市為25座。因此,地震占災(zāi)害總數(shù)的52%�？梢姷卣馂�(zāi)害確系“群害之首”。研究表明,在地震中造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失最主要的因素就是房屋倒塌及其引發(fā)的次生災(zāi)害(約占95%)。無數(shù)次的震害告訴我們,抗震設(shè)防是防御和減輕地震災(zāi)害最有效、最根本的措施。

　　另一方面,我國作為發(fā)展中國家,人口稠密,建筑物抗震能力低。因此,我國的地震災(zāi)害可謂全球之最。上個世紀(jì),全球因地震而死亡的人數(shù)為110萬人,其中我國就占55萬人之多,為全球的一半。因此,粗略地說,我國的國土面積占全球的1/14,人口占1/4,地震占1/3,地震災(zāi)害占1/2。因此,建筑物的抗震設(shè)防問題是我國減輕自然災(zāi)害、保障國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會持續(xù)發(fā)展,特別是保障人民群眾生命安全的一個重要問題。

　　一、震害多發(fā)點(diǎn)

　　地震作用具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性,要求在強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)仍保持在彈性狀態(tài),不發(fā)生破壞是很不實際的;既經(jīng)濟(jì)又安全的抗震設(shè)計是允許在強(qiáng)烈地震作用下破壞嚴(yán)重,但不倒塌。因此,依靠彈塑性變形消耗地震的能量是抗震設(shè)計的特點(diǎn),提高結(jié)構(gòu)的變形、耗能能力和整體抗震能力,防止高于設(shè)防烈度的“大震”不倒是抗震設(shè)計要達(dá)到的目標(biāo)。

　　(一)結(jié)構(gòu)層間屈服強(qiáng)度有明顯的薄弱樓層

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在整體設(shè)計上存在較大的不均勻性,使得這些結(jié)構(gòu)存在著層間屈服強(qiáng)度特別薄弱的樓層。在強(qiáng)烈地震作用下,結(jié)構(gòu)的薄弱層率先屈服,彈塑性變形急劇發(fā)展,并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象。如1976年唐山大地震中,13層蒸吸塔框架,由于該結(jié)構(gòu)樓層屈服強(qiáng)度分布不均勻,造成第6層和第11層的彈塑性變形集中,導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)6層以上全部倒塌。

　　(二)柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞較為突出

　　框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件震害一般是梁輕柱重,柱頂重于柱底,尤其是角杜和邊柱易發(fā)生破壞。除剪跨比小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外,一般柱是柱端的彎曲破壞,輕者發(fā)生水平或斜向斷裂;重者混凝土壓酥,主筋外露、壓屈和箍筋崩脫。當(dāng)節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)無箍筋約束時,節(jié)點(diǎn)與柱端破壞合并加重。當(dāng)柱側(cè)有強(qiáng)度高的砌體填充墻緊密嵌砌時,柱頂剪切破壞嚴(yán)重,破壞部位還可能轉(zhuǎn)移至窗洞上下處,甚至出現(xiàn)短柱的剪切破壞。

　　(三)砌體填充墻的破壞較為普遍

　　砌體填充墻剛度大而變形能力差,首先承受地震作用而遭受破壞,在8度和8度以上地震作用下,填充墻的裂縫明顯加重,甚至部分倒塌,震害規(guī)律一般是上輕下重,空心砌體墻重于實心砌體墻,砌塊墻重于磚墻。

　　二、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　較合理的框架地震破壞機(jī)制,應(yīng)該是節(jié)點(diǎn)基本不破壞,梁比柱屈服可能早發(fā)生、多發(fā)生,同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好,底層柱底的塑性鉸宜最晚形成。即:框架的抗震設(shè)計應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)盡可能分散,充分發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)的抗震能力。

　　(一)抗震計算中的延性保證

　　從用樓層水平地震剪力與層間位移關(guān)系來描述樓層破壞的全過程可反映出,在抗震設(shè)防的第二、三水準(zhǔn)時,框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件已進(jìn)入彈塑性階段,構(gòu)件在保持一定承載力條件下主要以彈塑性變形來耗散地震能量,所以框架結(jié)構(gòu)需有足夠的變形能力才不致抗震失效。試驗研究表明,“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁’、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的框架結(jié)構(gòu)有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力,極限層間位移大,抗震性能較好。規(guī)范通過構(gòu)件承載力調(diào)整辦法在一定程度上可以體現(xiàn)上述的強(qiáng)弱要求,且考慮了設(shè)計者的使用方便,采用地震組合內(nèi)力的抗震承載力驗算表達(dá)式,只是要對地震組合內(nèi)力的設(shè)計值按有關(guān)公式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整.

　　綜合大量實驗研究成果,影響不同受力特征節(jié)點(diǎn)延性性質(zhì)的主要綜合因素有:相對作用剪力、相對配筋率、貫穿節(jié)點(diǎn)的梁柱縱筋的粘結(jié)情況。

　　(二)構(gòu)造措施上的延性保證

　　四川大地震實踐證明,當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在大地震中要求保持足夠的承載能力來吸收進(jìn)入塑性階段而產(chǎn)生的巨大能量,因為此時的結(jié)構(gòu)在震中進(jìn)入到一個塑性階段,容易產(chǎn)生變形。所以,根據(jù)這種特點(diǎn)和抗震的要求,多發(fā)地震的國家鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計均要求按延性框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,所以建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)的承載力與剛度,保證了建筑構(gòu)造的整體性,延性的增加也就提高了變形能力,這樣可以減少地震的破壞性,提高了建筑的抗震能力。

　　在結(jié)構(gòu)布置上,按擴(kuò)大了的柱端抗彎承載力進(jìn)行設(shè)計,理論上可將柱屈服的可能性減少,保證“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計原則。但因各種原因,如梁的實際抗彎承載力可能增大,高振型使柱中反彎點(diǎn)的轉(zhuǎn)移等綜合因素影響,要使柱中完全避免塑性鉸是困難的,同時為實現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”的要求,保證塑性鉸區(qū)域的局部延性,也必須通過一定的構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的延性,具體做法如下:

　　1.限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構(gòu)件延性,為實現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先與受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài),以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動能力,規(guī)范限制軸壓比與縱筋最大配筋率,同時對混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。

　　2.限制約束配筋和配筋形式。加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距是很重要的一點(diǎn),為保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性,有必要加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距,這不但可提高柱端抗剪能力,還可約束核心區(qū)內(nèi)混凝土,對縱向鋼筋提供側(cè)向支承,防止大變形下縱筋壓曲,從而改善塑性鉸區(qū)域的局部延性。規(guī)范對約束區(qū)縱筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區(qū)域的最小長度等做出了詳細(xì)的規(guī)定,并對箍筋肢距及箍筋形式提出了相應(yīng)要求。

　　隨著工程應(yīng)用中箍筋強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度不斷提高,對塑性鉸區(qū)域內(nèi)箍筋布置的要求是抗震構(gòu)造措施的一個重要方面,這一情況將導(dǎo)致高強(qiáng)度混凝土中約束箍筋配筋率的減少而降低結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠度,建議以配筋特征值代替原體積配筋率,同時鑒于約束配筋對柱端塑性鉸區(qū)的良好約束作用,建議適當(dāng)增大配筋量。

　　3.限制材料。拒絕豆腐渣工程的第一關(guān)就是把握好材料質(zhì)量,材料延性對確保構(gòu)件(結(jié)構(gòu))延性極為重要,為此規(guī)范對材料也提出了相應(yīng)的限制,如保證鋼筋強(qiáng)屈比、延伸率及混凝土強(qiáng)度等級等,同時對施工過程中可能出現(xiàn)的鋼筋代換也提出了相應(yīng)的限制。

　　三、結(jié) 語

　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一,歷年震害資料表明:鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞較為嚴(yán)重,其抗震設(shè)計中必須滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)底層柱底”等延性設(shè)計原則和有關(guān)規(guī)定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計的實踐中,由于設(shè)計人員對規(guī)范的理解和掌握尺度上,以及因地因人在結(jié)構(gòu)選型、布置以及計算方法上相互差異較多而對設(shè)計產(chǎn)生較多的爭議,抗震設(shè)計方法值得深入研究。