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初探建筑结构基于性能要求的抗震措施 |
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时间日期：2007-3-7 已被阅读次：[6523] |
佛山市城市规划勘测设计研究院 魏 非
【摘 要】 在建筑结构基本性能要求的抗震设计方法中，抗震措施是一个重要的组成部分。
本人提出了借助综合抗震能力将抗震措施量化的方案，以寻找基于不同性能要
求与不同抗震措施之间的基本对应关系。
【关键词】 抗震措施 基于性能设计 建筑结构
一、前言
在现在的建筑结构抗震设计中，抗震计算分析和抗震措施是两个不可分割的组成部分。
所谓抗震措施，是除地震作用计算和抗震承载力计算外的设计内容。要建立基于性能的结构
抗震设计方法，不仅要提出确定结构地震作用的方法，而且要给出相应配套的抗震措施。
通常，作为一个地区抗震设防裂度或设计地震动参数确定之后，建筑结构的最小地震作
用就可以确定，则施加给结构的地震能量可以确定。但按照对结构性能的要求，结构所具有
的抗力和延性要求仍可有所不同，即：
当结构具有较高的抗力时，其总体延性的要求可有所降低；反之，较低的抗力需有较高
的延性要求相配合。当然，抗力和延性要求均不得低于某个最低安全水准，如抗震设防类别
为丙类的建筑，应符合现行抗震设计规范中的有关规定。
二、建筑结构抗震措施的衡量指标
现行抗震设计规范对于性能的要求有两种基本的表达方式：一种是以损坏程度来描述，
另一种是以用途的重要性即抗震设防分类来描述。建筑结构的损坏程度划分为不损坏或属正
常维修下的损坏、可修复的破坏和倒塌；抗震设防类别则分为甲、乙、丙、丁四类。对某些
钢筋混凝土结构，现行规范给出了正常维修和倒塌的层间变位角作为定量指标。对于不同的
设防类别，现行规范规定了不同的抗震措施，如乙类建筑的抗震措施要比丙类建筑的有关规
定提高一度。按规范提高抗震措施后，在遭遇到本地区多遇地震影响时，由于地震作用不提
高，乙类建筑的损坏程度与丙类建筑基本相同；在遭遇到相当于本地区设防烈度的地震影响
时，乙类建筑的损坏程度比丙类建筑要轻些；在遭遇到本地区罕遇地震影响时，乙类建筑的
抗倒塌能力比丙类建筑要明显提高。显然，结构的抗震能力仍然缺明确的数量上的变化。
借助于现行《抗震鉴定标准》所引进的“综合抗震能力”，有可能使不同性能要求的结
构所具有的抗震能力有数量上的区别。例如，结构抗力的高低，可用结构楼层的受剪承载力
与设计地震剪力的比值，即楼层屈服强度系数来表征；结构变形能力的高低，可用结构所具
有的变形能力与基本变形能力的比值来表征。从而使不同性能要求所对应的抗震措施得以数
量化。
如果把按现行抗震设计规范进行设计的丙类结构作为符合基本性能要求的结构，即其抗
力和变形能力的组合结果（所吸收地地震能量）可定义为综合抗震能力的基本值。对于性能
（包括变形）要求较高的建筑结构，如乙类建筑，其综合抗震能力应高于基本值；对于性能
（包括变形）要求较低的建筑结构，如丁类建筑，其综合抗震能力应低于基本值。高、低的
具体取值，可根据性能要求确定。
在确定综合抗震能力的两个因素中，楼层屈服强度系数的定量在现行的抗震设计规范中
已经是现成的，可以根据结构构件的实际截面尺寸和配筋，取材料强度标准值接承载力计算
的有关公式得到，这里不再重复。以下重点研究的是变形能力比值的定量化。
三、变形要求与综合抗震能力的关系
结构在地震作用下的损坏程度与变形特别是楼层的层间变位角有明显的对应关系。如前
面所述，现行设计规范已经给出某些钢筋混凝土结构的变形要求，作为正常维修和防止倒塌
的标志。因此，对于采用变形要求作为不同性能指标的结构，利用下列资料的分析，即有可
能得出抗震措施的初步定量关系。
5．对建筑附属设备，可根据其运转的使用要求，分别列出对变形的分级。例如，工
业厂房吊车运行对轨道变形（排架吊车梁标高处位移）的要求，电梯导轨和空调机组的层间
相对变形要求，出屋面高大天线的信号接收、发射的变形要求等，均有相应的分级方法。
参照上述资料，若以不倒塌的变形值作为变形能力的基本要求，当要求结构处于轻微损
坏或不损坏时，其变形控制值应缩小到不倒塌变形值的某一比例值。但是，根据结构所吸收
地震能量相等的原则，其综合抗震能力应基本保持恒定值。据此，可获得缩小结构变形控制
值所对应的结构抗力提高的比例，即结构地震作用效应（内力）的提高系数。这是意味着，
在建筑结构抗震设计时，可利用地震作用效应调整系数来实现不同的变形性能要求。
四、影响结构延性的构造因素分析
对于有不同构造措施的建筑结构，在现行《建筑抗震鉴定标准》中，为使结构构造对抗
震能力的影响有相对定量化的指标，引进了构造的整体影响系数和局部影响系数，将抗震构
造措施对整个结构抗震能力的影响分为整体影响和局部影响两大类。例如，对砌体结构，以
抗震横墙间距、房屋高宽比、相邻层刚度比、墙体之间及墙体与楼板的连接、圈梁和构造柱
设置作为整体影响的构造，而以墙体局总尺寸、楼梯间构造、出屋面建筑等作为局部影响的
构造。对不同的设防裂度，抗震构造有不同的基本构造措施要求，当现有结构的构造高于基
本要求时，相应的影响系数大于1.0，当低于基本要求时，相应的影响系数小于1.0。这些系
数的变化幅度，一般在0.6至1.3的范围内。
按上述思路，考虑到现行设计规范规定的基本抗震构造一般可分为高、中和低三个等级
，相当于将不同的性能要求用不同的等级来表示，但对于不同类型的结构，确定构造等级时
所考虑的因素不同。参照现行设计规范的有关内容和要求，对于除规则性要求外的抗震构造
，初步划分如下：
1．砌体结构影响变形能力的构造，可将圈梁、构造柱设置数量、位置、截面尺寸和配
筋的分级作为重点，而局部墙体尺寸等只考虑其局部影响。例如，多层砖房的构造柱设置数
量，可将房屋四角和楼梯间四角设置作为第一等级，房屋隔开间内外墙交接处和楼梯间四角
设置作为第二等级，房屋每开间内外墙交接处和楼梯间四角设置作为第三等级；不设置构造
柱即与非抗震设计相同。当然，在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的砌体结
构，其基本延性构造要求仍不同，如构造柱设置要求随房屋层数的增加而提高。现在的问题
是，需要通过具体实例的计算分析，研究同一地点同样的房屋按不同的等级采取措施后，其
各种措施的构造影响系数如何取值？是否可在某个范围内（如0.6至1.5的范围内）取值。
2．钢筋混凝土结构影响变形能力的构造，可将内力调整、柱纵向钢筋和箍筋体积配箍
率、抗震墙墙体边缘构件的布置和构造作为分级的重点，而短柱、框支层、连梁的构造作为
局部的影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下，对层数不同的钢筋混凝土结构，其基本
延性构造要求仍需不同。这里，内力调整、纵筋总配筋率和箍筋体积配箍率等均已有现成的
分级和定量取值，只需研究如何转为相应的影响系数。
3．钢结构影响变形能力的构造，可将内力调整、节点域构造、构件长细比和支撑设置
等作为分级的重点，而构件宽厚比作为局部影响。在同样设防烈度和同样的性能要求下，对
层数不同的钢构，其基本延性构造要求也需不同。现行高层民用钢筋结构规程也有一些现成
的定量取值，同样需研究将其转化为影响系数的方法。
总之，为了达到各类结构延性措施的定量化，需要在震害总结、理论分析和试验研究的
基础上，从综合抗震能力，即结构所吸收的地震能量的角度，提出现行规范中各种构造规定
的影响系数，并通过大量的的试算、比较和分析，予以确认。现阶段，还需进一步收集资料
并加以整理。
五、整体延性与结构构件、部件延性的联系
按照建筑结构抗震概念设计的要求，结构各部位性能的优劣对整个结构抗震能力的影响
程度是不同的。评价时必须区分关键部位和一般部位，需要寻找一套方法，用以建立整个结
构变形能力与各部位变形能力之间的联系。该方法的基本要点可简要归纳如下：
1．对于多层，尤其是高层和超高层建筑，各层的基本要求应予以区别。通常可分为上
、中、下三大部分；对于竖向不规则的建筑结构，其明显的抗震薄弱层，如框支层、刚性层
、出屋面建筑要有专门的基本要求；对于平面不规则的建筑结构，其地震扭转效应明显的部
位，也要有专门的基本要求。
2．把结构中不同部位的基本要求转化为该部位各个构件延性构造的基本要求。最后，
落实到单个构件的延性构造要求并予以分类归并。
3．当然，为了使各结构构件的变形能力得以充分发挥，结构构件之间连接的基本要求
是确保连接性能的可靠性。
4．按照结构综合抗震能力的要求采取抗震措施时，对同一结构的不同楼层和不同部位
的构件，其构造措施的基本要求不同，当同一结构不同部位的性能要求有明显差异时，也可
有相应不同的基本要求。于是，设计人员在掌握整个结构抗震措施的基本原则要求和构造基
本抗震措施的基础上，可以发挥主观能动性，通过优化方法设计出满足抗震设防标准的建筑
结构。
5．对于采用减震耗能体系的建筑结构，由于结构阻尼增大使整个结构的地震反应减小
，容易实现高性能（减小损坏程度）的设计要求。此时，除了提高相应关键部位的特殊要求
外，其余部位的基本要求与非减震耗能结构相比可相对降低，只需达到与结构地震反应减小
后相应的构造要求。
六、结束语
本文只是对结构抗震措施定量化所需考虑的一些问题做初步的探索。钢筋混凝土结构的
抗震等级与变形能力有所联系，但仍无明显的下量关系，尤其是没有与构件的变形能力相联
系。此外，一个高层建筑结构，上部楼层的抗震等级与下部楼层的抗震等级相同，显然有待
进一步的细化。
为了实现结构抗震措施的定量化并在设计中付诸实施，还有许多基础性工作需要完成。
这里借助《建筑抗震鉴定标准》所引人的方法，提出通过影响系数予以初步定量的设想。希
望对以后的建筑结构抗震设计有一些帮助及延伸。
参考文献
1．China－United States Bilateral Workshop on Codes. Guangzhou, China.
2．周锡元等，地震工程概论。
3．戴国莹等，建筑抗震设计新方法及例题，建筑科学编辑部。
4．戴国莹等，建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题，建筑结构（4）。
5．《建筑抗震设计规范》。
6．《建筑抗震鉴定标准》。
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