文／朱麗佳 杭州錢塘新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 浙江杭州 311228

引言：

地震是對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，帶來巨大損失的自然現(xiàn)象。隨著全球城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市的土地越來越少，土地價(jià)格越來越高，高層建筑的高度越來越高，地震帶來的損失也越來越大。1976年唐山大地震造成24萬多人死亡，經(jīng)濟(jì)損失不可估量；1995年日本阪神大地震造成六千余人死亡，經(jīng)濟(jì)損失和重建費(fèi)用高達(dá)2000億美元以上；2008年我國汶川地震造成約7萬人死亡，僅直接經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)上萬億元人民幣。如果建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)不到抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)要求，在地震中將帶來嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此需要高度重視建筑結(jié)構(gòu)抗震問題，確?？拐鹦阅芊弦?guī)范要求。

1、抗震理論的發(fā)展?fàn)顩r

1.1 世界抗震理論發(fā)展過程

建筑工程抗震設(shè)計(jì)根據(jù)人類力學(xué)理論和建筑設(shè)計(jì)理論的發(fā)展變化，主要經(jīng)歷了靜力彈性分析、反應(yīng)譜分析和動(dòng)力分析三個(gè)階段。

（1）靜力理論階段。在上世紀(jì)除提出，這種方法將地震作用簡化為靜力，取自身重力模擬水平地震作用，該方法較為原始，在地震多發(fā)的日本最早應(yīng)用。1900年，日本學(xué)者大森房吉提出了該理論，認(rèn)為估計(jì)地震力時(shí)，暫時(shí)不考慮其動(dòng)力學(xué)特性，假設(shè)結(jié)構(gòu)為剛性， 地震的作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)建的質(zhì)心處，將地震作用簡化為一個(gè)常數(shù)，并在該理論的基礎(chǔ)上提出了“家屋耐震構(gòu)造論”。這種理論對(duì)于木質(zhì)、底層的日式民用建筑具有一定的適應(yīng)性，并作為抗震設(shè)計(jì)的鼻祖，開創(chuàng)了抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算的先河，在此基礎(chǔ)上，日本先后衍生出剛性理論、柔性理論兩種抗震理論，在這兩種理論基礎(chǔ)之上，日本陸續(xù)發(fā)展處消震隔震減震理論、能量耗散理論和抗震設(shè)計(jì)的能量理論等雛形。

（2）抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜理論階段。這種理論在靜力理論的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，伴隨著地震觀測(cè)和記錄數(shù)據(jù)越來越多，研究的科學(xué)性也在逐漸增強(qiáng)，1933年，美國的第一臺(tái)強(qiáng)震記錄儀成功記錄到了長灘地震的數(shù)據(jù)，并在后續(xù)數(shù)十年的地震觀測(cè)提供了較多的理論數(shù)據(jù)支持。

該理論自上世紀(jì)五十年代提出，結(jié)合了當(dāng)時(shí)建筑力學(xué)的最新研究成果，考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性之間的動(dòng)力關(guān)系，考慮了結(jié)構(gòu)自身特性所引起的共振效應(yīng)，該方法為現(xiàn)代地震設(shè)計(jì)理論的基本雛形，并一直沿用至今。

（3）動(dòng)力理論階段。這種方法進(jìn)一步考慮了動(dòng)力分析的方法，并把動(dòng)態(tài)應(yīng)用和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)用到抗震計(jì)算中。這種方法的出現(xiàn)主要得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)各類結(jié)構(gòu)在線性和非線性反應(yīng)過程有了較多的了解，且隨著地震記錄儀在全球范圍內(nèi)的普及，各種受損結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)記錄大幅度增加。這種理論改變了靜力理論、動(dòng)力理論把地震考慮成一個(gè)作用力的計(jì)算思路，把地震作用用時(shí)間維度來考慮，計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻建筑物的反映。比傳統(tǒng)的反應(yīng)譜理論更加貼合實(shí)際，對(duì)抗震的反映更加有效。目前世界上主要國家都在抗震規(guī)范中加以應(yīng)用。

（4）結(jié)構(gòu)性態(tài)理論。這種理論于上世界末由美國和日本提出，主要考慮到了不同結(jié)構(gòu)體系面對(duì)地震時(shí)的響應(yīng)存在顯著區(qū)別，不適合一概而論，且這種理論將以往理論中的“抗震”優(yōu)化為“減災(zāi)”，強(qiáng)調(diào)對(duì)建筑物進(jìn)行適度吸收地震能量，將人類的生命安全放于首要位置。提出了針對(duì)于不同級(jí)別地震，建筑物應(yīng)該具有不同的抗震表現(xiàn)，并始終應(yīng)當(dāng)保證人類的生命安全。世界主要國家的現(xiàn)行抗震理論均吸收了其抗震思想，包括我國的抗震三原則。

1.2 中國抗震理論發(fā)展情況

我國從上世紀(jì)八九十開始進(jìn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)，其抗震理念的發(fā)展可以劃分為兩個(gè)基本階段，與全球的抗震理論發(fā)展基本保持一致。第一階段也是基本參照反應(yīng)譜理論和反應(yīng)譜方法作為抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。第二個(gè)階段是結(jié)合動(dòng)力理論階段，同時(shí)吸收了部分彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行計(jì)算，與國際主流理念和方法基本上保持一致。

2010年開始，我國在結(jié)合國內(nèi)外有益經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，正式出臺(tái)了我國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，主要有《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，實(shí)現(xiàn)了抗震規(guī)范的明確化和具體化，并沿用至今。

根據(jù)我國抗震規(guī)范的要求，我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范將抗震目標(biāo)分為基本目標(biāo)和性能化目標(biāo)?；灸繕?biāo)也就是耳熟能詳?shù)拇笳鸩坏埂⒅姓鹂尚?、小震不壞。性能化目?biāo)是在滿足基本目標(biāo)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)場(chǎng)地、結(jié)構(gòu)、高度等具體工程、經(jīng)濟(jì)情況，提出的更為具體、靈活、可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，適用于有專門規(guī)定或者重大復(fù)雜的項(xiàng)目。

2、我國土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在的問題

2.1 抗震規(guī)范體系不完善

一方面，我國雖然已經(jīng)規(guī)定了較為完整的抗震規(guī)范體系，但在具體的實(shí)施過程中，和各地實(shí)際存在一定的脫節(jié)情況。特別是我國的抗震體系整體上是對(duì)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，在本土化方面出現(xiàn)了一系列不足。由于地震不像天氣預(yù)報(bào)可以進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，因此在規(guī)范制定方面，缺乏科學(xué)的規(guī)范指引，導(dǎo)致建筑抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)一些脫離實(shí)際的現(xiàn)象。整體上，我國抗震安全系數(shù)還不高，抗震設(shè)計(jì)的抗震能力較差，抗震級(jí)別較低，還比不上發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)。許多高層、重要建筑普遍請(qǐng)國外的建筑和結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

另一方面，我國針對(duì)不同級(jí)別的高層建筑做出了專門的抗震規(guī)定。但目前，各開發(fā)商在城市土地開發(fā)中，過于追求單位面積的土地產(chǎn)出，想盡辦法提高建筑高度，以提高經(jīng)濟(jì)效益。城市規(guī)劃部門也在規(guī)劃城市地塊控高時(shí)，很少考慮抗震因素，往往以城市景觀和經(jīng)濟(jì)效益為主，很少將重大突發(fā)應(yīng)急事故納入考慮因素，導(dǎo)致一些高層建筑在地震時(shí)成為重災(zāi)區(qū)，極大的加重了生命財(cái)產(chǎn)損失。

同時(shí)，在建筑設(shè)計(jì)中，我國的建筑規(guī)范只對(duì)荷載等進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)于建筑材料耐久性缺乏相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致時(shí)間因素、環(huán)境因素等未能納入抗震規(guī)范，為抗震設(shè)計(jì)的耐久性留下了較大的安全隱患?？拐鹪O(shè)計(jì)遠(yuǎn)非一勞永逸，需要不斷根據(jù)時(shí)間因素考慮建筑形變進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，但目前國內(nèi)規(guī)范尚缺乏相關(guān)規(guī)定。

2.2 設(shè)計(jì)水平不足

隨著當(dāng)今建筑技術(shù)的發(fā)展，也隨著大城市土地資源的日益緊張，當(dāng)今的建筑技術(shù)標(biāo)新立異，越建越高，建筑形狀也越來越個(gè)性化，非幾何化，給抗震設(shè)計(jì)帶來了較大困難。過于個(gè)性化的建筑給抗震設(shè)計(jì)帶來了巨大的困難。而當(dāng)今我國設(shè)計(jì)院的抗震安全設(shè)計(jì)水平難以跟上越來越復(fù)雜的建筑造型，帶來巨大的安全隱患。

一方面我國抗震安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺乏彈性。我國是一個(gè)幅員遼闊、建筑豐富度十分巨大的國家，但我國全國范圍內(nèi)參照同樣的抗震規(guī)范，按照“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則進(jìn)行建筑抗震設(shè)計(jì)，在具體的建筑設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師普遍會(huì)把抗震設(shè)計(jì)參數(shù)化，通過固定的參數(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行，每一種類型的地震會(huì)量化為規(guī)范中統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中無法很好的反映抗震的需求。

另一方面是整體的設(shè)計(jì)水平不高，過于保守的套標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，造成了大量的結(jié)構(gòu)冗余和浪費(fèi)。如，例如，在我國現(xiàn)階段的地震研究中，會(huì)對(duì)地震的降級(jí)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，這樣就會(huì)給很小的地震賦予固定的統(tǒng)計(jì)意義。然而在實(shí)際的情況中，建筑結(jié)構(gòu)中變形的檢驗(yàn)以及橫截面的具體承載能力是要根據(jù)實(shí)際的情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在建筑設(shè)計(jì)中如果只是依靠統(tǒng)一的計(jì)算設(shè)計(jì)，沒有深入的考慮到建筑結(jié)構(gòu)的層次以及順序，很難使建筑抗震結(jié)構(gòu)發(fā)揮出重要的意義。[1]同時(shí)對(duì)于不規(guī)則建筑、幾何造型復(fù)雜的建筑，設(shè)計(jì)院普遍缺乏抗震設(shè)計(jì)能力，要么帶來過多的結(jié)構(gòu)冗余，要么影響結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)水平和思路均需要提升。

2.3 建筑場(chǎng)地與材料選擇不合理

一方面，對(duì)建筑安全來說，施工場(chǎng)地的選擇是影響建筑在地震時(shí)安全的重要因素，以下幾種土質(zhì)會(huì)對(duì)建筑安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響：軟土、液化土、河流沿岸、回填土等。這些土質(zhì)由于存在軟弱粘性土壤，軟硬圖層分布不均，往往會(huì)使建筑產(chǎn)生崩塌或下陷，發(fā)生地震時(shí)建筑物結(jié)構(gòu)會(huì)瞬間被破壞。特別是現(xiàn)在城市用地條件苛刻，難以對(duì)高層、超高層建筑的土層進(jìn)行選擇，在抗震條件較差的圖層上建造高層甚至超高層建筑，帶來較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，我國是地震多發(fā)國家，但是在建筑材料的選擇和發(fā)達(dá)國家相比，在理念上依然存在較大差距。鋼結(jié)構(gòu)有較高的延展性，能通過形變有效吸收地震的能量，因此在地震多發(fā)地區(qū)的建筑應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)，但受限于傳統(tǒng)建筑歷年和建造成本，是我國很多地震區(qū)域的高層建筑仍然以混凝土結(jié)構(gòu)為主。另外，對(duì)于建筑高度高于150m的高層，應(yīng)當(dāng)有三層支撐框架做支撐。[2]而且隨著科技的進(jìn)步及鋼鐵產(chǎn)能的提高，新型鋼質(zhì)混凝土結(jié)構(gòu)一般質(zhì)量較輕，且能夠在減少鋼架結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，提高高層建筑的防震能力。

3、提高土木工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的對(duì)策

3.1 選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)體系

建筑結(jié)構(gòu)體系對(duì)于整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，結(jié)構(gòu)體系選擇的科學(xué)性和合理性是抗震設(shè)計(jì)的先決因素，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格進(jìn)行平面、縱向和整體設(shè)計(jì)。

一是做好抗震平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建筑的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)中一個(gè)很重點(diǎn)的設(shè)計(jì)部分，在設(shè)計(jì)中具有很高的優(yōu)先級(jí)。一方面要盡量保證建筑結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使得建筑的結(jié)構(gòu)質(zhì)量在整體建筑中均勻布置。另一方面要注重保證建筑結(jié)構(gòu)的均勻性，對(duì)于剛度較大的剪力墻和電梯井等結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡量布置在建筑的中心位置，將抗震墻與抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行相互結(jié)合，減小扭矩對(duì)建筑的影響。

二是做好抗震縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？v向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要關(guān)注高度、剛度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布。一方面，建筑應(yīng)當(dāng)確保剛度與建筑物沿設(shè)計(jì)的系數(shù)接近，避免剛度中斷或突變，使各個(gè)樓層出現(xiàn)剛度不均，避免建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)。另一方面，確保剪力墻布局均勻，確保剪力墻垂直方向的貫通性，中間不可以中斷，確保貫通到建筑底部。

三是做好建筑整體設(shè)計(jì)。一方面，要建筑的平面構(gòu)型中盡可能選擇簡潔和規(guī)則的形狀，如矩形或圓形，此類形狀可以極大的提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性，在整體設(shè)計(jì)師，還要盡量避免出現(xiàn)凹凸的構(gòu)型。另一方面，要盡量讓建筑的剛心和質(zhì)心保持在同一位置，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，使建筑質(zhì)量盡可能按照合理規(guī)則布置。

例如，南昌的綠地紫峰大廈高為268米，該大廈是核心筒結(jié)構(gòu)框架，對(duì)該大廈進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，建筑東西里面有內(nèi)凹設(shè)計(jì)，它的內(nèi)凹部分的荷載是由結(jié)構(gòu)柱支撐在跨懸臂轉(zhuǎn)換墻上。該建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)就充分的考慮到建筑的功能需求，同時(shí)進(jìn)行該建筑的設(shè)計(jì)時(shí)還進(jìn)奧行了反譜計(jì)算。[3]

3.2 重視建筑場(chǎng)地的選擇

建筑物所處位置與地質(zhì)條件是影響建筑抗震安全性能的重要因素，特別是在地震多發(fā)地帶，要格外注重合理選擇建筑場(chǎng)地的選擇。

一是要盡量避免對(duì)抗震設(shè)計(jì)造成不良影響的區(qū)域，如存在地震帶、地殼運(yùn)動(dòng)對(duì)地面造成過破壞的地段和存在滑坡隱患、地裂隱患的地段。二是要避免選擇土質(zhì)軟弱、土地液化和地質(zhì)元素分布較不均勻的地段，在粘性土質(zhì)區(qū)域和土層分布很不均勻的區(qū)域也要盡量避免。三是采取專門措施，增強(qiáng)不良場(chǎng)地上建筑的抗震安全性。如果較差的地質(zhì)條件不可避免，一定要對(duì)建筑進(jìn)行專門的抗震安全設(shè)計(jì)，并針對(duì)土層特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。如地段存在滑坡隱患，那么應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)保持地基穩(wěn)定；如土層分布不均勻，應(yīng)當(dāng)對(duì)地基進(jìn)行專門的樁基施工手段，增強(qiáng)建筑物上部結(jié)構(gòu)的安全性和抗震性。

3.3 設(shè)置多道抗震防線

抗震防線能夠有效提升建筑的抗震性能，減輕地震對(duì)建筑的破壞，一般來說，建筑物應(yīng)當(dāng)配備不止一條的抗震防線，特別是應(yīng)當(dāng)設(shè)置備用防線，確保在建筑在遭受地震影響時(shí)不至于倒塌，減少人民的生命損失。在一個(gè)良好、科學(xué)的抗震結(jié)構(gòu)體系中，應(yīng)當(dāng)確保其有不同硬度的結(jié)構(gòu)抗震破壞延展體系，并由結(jié)構(gòu)延展性較好的構(gòu)建進(jìn)行連接，如框架-抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個(gè)系統(tǒng)組成，雙肢或多肢抗震墻體系由若干個(gè)單肢墻分系統(tǒng)組成。第一道防線一般應(yīng)優(yōu)先選擇不負(fù)擔(dān)或少負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇的抗震墻、實(shí)墻筒體之類的構(gòu)件作為第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件。要正確處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，不可以一味的以高強(qiáng)度構(gòu)建硬性對(duì)抗地震影響，合理配置主要耗能構(gòu)件（比如連梁、斜撐等），在其屈服后，其它主要?jiǎng)偠葮?gòu)件仍處于彈性變形階段，有充分的變形吸收地震能量，保證主要構(gòu)建不發(fā)生塑性形變。

對(duì)于高層、重要建筑中，第一道防線一般應(yīng)優(yōu)先選擇不負(fù)擔(dān)或少負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇軸壓比值較小的抗震墻、實(shí)墻筒體之類的構(gòu)件作為第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件。同時(shí)對(duì)于高層、重要建筑而言，結(jié)構(gòu)體系的冗余度設(shè)置尤其重要，要確保大量的地震能量能夠在冗余度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件上消耗掉，保證主體結(jié)構(gòu)的安全性，且在結(jié)構(gòu)收到損壞后仍易于修復(fù)。同時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)置第二道、第三道抗震防線，在第一道抗震防線被破壞時(shí)仍然有多余的冗余度保證建筑不至于徹底損壞。抗震結(jié)構(gòu)體系內(nèi)應(yīng)當(dāng)根據(jù)構(gòu)建的剛度分布，進(jìn)行科學(xué)的冗余度設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的剛度分布規(guī)則設(shè)置屈服區(qū)，較好的吸收地震能量，滿足抗震的“三不”要求。對(duì)于建筑高度較高，或在地震多發(fā)地域建造時(shí)，可以采用剪力墻等多段強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)，作為抗震的第一條防線。所以，為了保證墻體的抗震能力足以防止地震的損害，有效減少地震造成的墻體裂痕或者倒塌，就應(yīng)當(dāng)科學(xué)建立防震結(jié)構(gòu)，多層防線形成合力。而且在地震以后，每一層的剪力墻所承受的負(fù)載力應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)預(yù)期最大剪力墻的兩倍，或者要超過地震總剪力值的1/5。[4]

3.4 優(yōu)化抗震規(guī)范體系

我國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范依然有較大的提升改進(jìn)空間，在科學(xué)性、靈活性方面應(yīng)當(dāng)充分吸納近些年的抗震經(jīng)驗(yàn)，在全國范圍內(nèi)做到更有效的指導(dǎo)。一是應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)靈活性，指導(dǎo)地方出臺(tái)符合各自實(shí)際的抗震規(guī)范，在滿足地震設(shè)防烈度的同時(shí)，鼓勵(lì)各地因地制宜，出臺(tái)更有靈活性更符合地方特色的抗震規(guī)范，在抗震規(guī)范中充分吸納近些年各地的抗震經(jīng)驗(yàn)和全世界范圍內(nèi)的優(yōu)秀理論研究成果，避免僅以固定的系數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。二是加強(qiáng)對(duì)超高層建筑、不規(guī)則建筑等新類型建筑的抗震規(guī)范研究，目前各類新型建筑層出不窮，其抗震規(guī)范缺乏理論研究與支持，國內(nèi)建筑設(shè)計(jì)院難以勝任，應(yīng)當(dāng)將復(fù)雜、不規(guī)則建筑的建筑抗震規(guī)范盡快納入研究范圍，并在國內(nèi)推廣。

結(jié)語：

我國作為環(huán)太平洋地震帶上的國家，歷史上發(fā)生過多次重大地震災(zāi)害，給我國人民帶來了深重?fù)p失，抗震設(shè)計(jì)對(duì)于建筑來說至關(guān)重要。本文對(duì)國內(nèi)抗震情況的理論發(fā)展情況進(jìn)行介紹，并整理了國內(nèi)抗震設(shè)計(jì)方面存在的一系列問題，針對(duì)這些問題，應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、場(chǎng)地選擇、設(shè)置抗震防線，優(yōu)化規(guī)范體系等方面進(jìn)行優(yōu)化，以提升國內(nèi)的抗震設(shè)計(jì)水平，減輕地震造成的損失。