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1、多道抗震設防與建筑抗震設計摘要：在建筑抗震設計中，應盡可能設置多道抗震防線，利用延性較好的結構構件協同工作抵抗地震力或利用贅余桿件屈服和變形來吸收消耗大量的地震能量，同時利用贅余桿件的破壞與退出工作，使整個結構從一種穩定體系過渡到另外一種體系，實現結構周期的變化，以避開共振效應，從而減輕建筑物在地震作用中的破壞程度。 關鍵詞：建筑結構；多道抗震設防；設計1.概述由于地震動具有明顯的隨機性和復雜性，加之建筑的動力特性、所在場地、材料及結構內力的不確定性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數，目前難以做到。在地震預報科學水平有限的今天，為了保證結構具有足夠的抗震可靠性，不僅僅要依靠結構抗震能力的2、相關計算，還必須綜合考慮多種因素：場地條件和場地土的穩定性；建筑的平立面布置；抗震結構體系的選取；材料與施工質量等，著重從建筑物的總體上進行抗震設計即結構的抗震概念設計。縱觀近年來國內外大地震，采用單一結構體系（例如單跨框架結構）的建筑物，僅有一道抗震防線，在強烈地震作用下，它的倒塌率遠遠超過采用雙重（例如框架一抗震墻、框架一支撐等）或多重抗側力體系的房屋的倒塌率。研究LU1表明，這些震害現象不僅與結構本身剛度與承載力有關，更與多道抗震防線有緊密聯系。多道抗震防線指的是：第一，一個抗震結構體系，應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，如框架一抗震墻體系是由延性框3、架和抗震墻兩個系統組成；雙肢或多肢抗震墻體系由若干個單肢墻分系統組成；第二，抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部贅余度，有意識地建立起一系列分布的屈服區，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復。具有多道抗震防線的結構體系有多跨框架、框架-填充墻體系、框架-剪力墻體系、框架-簡體體系、筒中筒體系等。2.多道抗震設防的基本原理一次大地震，某場地產生的地震動，能造成建筑物破壞的強震持續時間，少則幾秒，多則十幾秒，甚至更長。長時間的地震動，會對建筑物產生往復式的沖擊，造成積累式的破壞。如果建筑物采用的是多重抗側力體系，第一道防線的抗側力構件在強烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道乃4、至第三道防線的抗側力構件立即接替，抵擋住后續的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期與地震動卓越周期相同或接近的情況時，當第一道抗側力防線因共振而破壞，第二道防線接替后，建筑物自振周期將出現較大幅度的變動，與地震動卓越周期錯開，使建筑物的共振現象得以緩解，減輕地震的破壞作用。因此，在抗震設防中應考慮多道抗震防線。優先采用不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或者選用軸壓比值較小的抗震墻、實墻筒體之類構件，作為第一道抗震防線。如因條件限制，只能采用單一的框架體系，則應采用“強柱弱梁”型延性框架。在水平地震作用下，梁的屈服先于柱的屈服，利用梁的變形來消耗輸入的5、地震能量，使框架柱退居到第二道防線的位置。連系梁的設置以及恰當的配筋能夠增強結構的延性。當遭遇地震時，這些連系梁首先承擔地震前期脈沖的沖擊，以達到保護主體結構的目的。3.工程實例近十年來國內最大地震-2008年5月12日四川汶川地震發生后，專家組在第一時間通過大量對汶川地震災區的建筑物破壞情況實地調查，對汶川地震中的典型建筑物破壞案例進行討論分析，發現災區建筑物的破壞類型呈多樣性，主要表現形式有：砌體結構構造柱斷裂、承重墻體開裂、樓梯破損、甚至整體坍塌等；鋼筋混凝土框架結構的框架柱梁破壞（圖1）、個別墻體與柱連接處開裂、填充墻開裂、樓蓋破壞（圖2）等。本次地震發生在川西地區，當地農村修建的磚混6、結構、底框結構房屋基本未考慮抗震設防，普遍存在較大的質量安全隱患，大部分磚混結構、底框結構房屋抗震性能較差。其中，磚混結構房屋的鋼筋混凝土圈梁、構造柱設置也很不規范（圖3）。分析以上破壞案例可知，對于砌體結構，應嚴格按照抗震規范要求，設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁（圖4），并確保兩者的連接，以便加強建筑物的穩定性，提高多層砌體結構的抗震性能。構造柱、圈梁雖然不能提高結構的抗震承載力，但作為約束構件，可以提高墻體的延性。在大震作用下，磚墻被破壞后，被圈梁構造柱箍起的墻體還可不倒塌，這就形成了抗震的第二道防線。汶川地震中，大多數純多層框架結構的主體結構震害一般較輕，多為“強梁弱柱”類型的破壞形式即框架7、結構的柱端發生裂縫或破損，而框架梁卻完好無損，或柱倒塌，梁隨之倒塌，這就不能達到抗震設計目的。圖5建筑的柱太細且截面配筋細而不足，呈“強梁弱柱”類型，中間一層形成薄弱層，易引起局部倒塌。因此，抗震設計應保證“強柱弱梁”的延性框架，“強柱弱梁”即在地震時，保證讓梁端先出現裂縫，形成塑性鉸來吸收一部分地震能量，梁為第一道防線，柱為第二道防線，從而避免柱子先于梁遭受破壞。同時，也可以適當的在大跨度框架結構中墻體位置處增設剪力墻，或在柱間設置支撐等，來形成抗震的多道防線。大震發生時，讓其增設部件作為結構的“第一道防線”率先破壞，消耗地震能量，減小對整體結構的破壞程度，從而保護主體結構的安全。本次地震中8、，框架一剪力墻（核心筒）結構，由于具有較大的抗側剛度和承載力，顯示出了優越的抗震性能，尤其是與統一地區的框架結構相比，框架一剪力墻（核心筒）結構的損壞要輕很多。由各類結構形式建筑的震害情況可以看出，雙重抗側力體系的建筑的破壞程度遠遠低于單側力體系建筑。因此，多道抗震防線的設置對建筑物的抗震至關重要。4.多道抗震設防的工程應用蘇綸紡織廠建于20世紀90年代初期，主廠房共3層，層高超過6m，已使用19年。原設計為單向框架結構，按當時規范情況未進行抗震設計。業主擬將主廠房改建為大型商業超市，保留原有建筑外觀，增強結構抗震性能，并賦予其新功能。抗震設防烈度為6度（第一組），設計基本地震加速度值為0.09、5g，建筑場地類別為類。 通過抗震鑒定分析表明：原結構采用單向鋼筋混凝土框架結構，不符合現行抗震規范要求。另外，主廠房外圍混凝土墻拆除后，改變了原有結構的剛度分布，結構耗能能力被削弱。根據標準第6.2.8條，判定為第一級鑒定未通過。若要改造利用該房屋，必須對結構進行抗震加固。原設計功能為廠房，使用荷載考慮較大，主廠房的設計和施工質量較好，在原有設計荷載條件下，上部結構和基礎的性能良好，確保了改造的可行性。但單向框架結構延性不足，贅余度少，其耗能能力較弱，抗扭剛度較弱，很容易在大震下發生構件連續破壞繼而倒塌，違背了現行抗震規范“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。綜合考慮鑒定結果，并根10、據鑒定標準和建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）的相關規定，此結構宜采用改善結構體系和增設多道抗震防線方案對其進行加固。經過復雜的LU2概念設計與抗震計算復核等工作，改造時采用增加鋼支撐抗側力構件的方法，即在原邊框架的位置布置鋼支撐的方式，以提高結構的抗扭剛度，并和原有框架結構一起形成2道抗震防線。鋼支撐有很強的變形能力，在大震作用下結構繼續工作，耗散大量的地震輸入能量，是結構的一道抗震防線，從而有效地提高了本工程的整體抗震性能。鋼支撐形式較多，如斜撐、人字形支撐、小八字撐，可以根據建筑功能要求予以選用。當結構層間發生位移時，鋼支撐首先受力變形，吸收地震力，從而增強建筑物的延性性能，11、達到抗震目標。根據建筑功能使用情況和結構的平面體型，按均勻、對稱、周邊原則，鋼支撐按圖6布置。抗震驗算及結構的時程分析結果表明，通過鋼支撐的增設，層間位移角得到了相對較好的控制。x、y向自然地震波激勵下層間位移角都有相應減小。結構在彈性層間位移角均滿足抗震規范要求。計算結果顯示，結構剛度分布更均勻，結構抗扭剛度得到了有效提高。5.結束語多道抗震防線是抗震設計中不可缺少的重要策略，有著不容忽視的作用。多道抗震防線將會避免因部分構件破壞而導致結構體系喪失抗震能力和承受荷載的能力，從而實現“大震不倒”的設防目標。保證整個土木工程結構的安全和穩定，不僅需要承載力的計算，還需要良好的構造措施（圈梁、構造柱等）、明確的傳力路徑、以及強節點弱構件、強柱弱梁的抗震設計理念。多道抗震防線的設置能夠增加建筑結構的塑性和延性，減輕建筑物的破壞程度，也是對付高烈度地震的一種經濟、有效的方法。