浅谈建筑抗震

何家盛(PB05007145)·地球和空间科学学院·中国科学技术大学

[摘要] 一场大震下来，各方面的人员都忙碌起来。有的忙着救死扶伤，有的忙着确定地震参数，也有人忙着进行震害评估。但其实，关于地震的工作，从地震发生之前就已经开始了，而且从不中断，其中就有着建筑抗震从业人员的身影。本文将从地震及其破坏作用入手，了解地震对建筑物造成的影响，然后谈谈多年累计下来的高层建筑抗震经验，从而引出建筑抗震概念设计的相关内容。 [关键词] 抗震、建筑、设计

一、地震及其破坏作用

总所周知，地震可以分为火山地震、塌落地震、诱发地震及构造地震这四种类型，但是，由于构造地震的发生概率高、破坏作用大、影响范围广等特点，建筑抗震一般会将构造地震视为主要的研究对象。

构造地震亦称“断层地震”，是由地壳（或岩石圈，少数发生在地壳以下的岩石圈上地幔部位）发生断层而引起。地壳（或岩石圈）在构造运动中发生形变，当变形超出了岩石的承受能力，岩石就发生断裂，在构造运动中长期积累的能量迅速释放，造成岩石振动，从而形成地震。构造地震波及范围大，破坏性很大。世界上百分之90以上的地震、几乎所有的破坏性地震属于构造地震。

构造地震的类型可分为：

（1）孤立型：没有前震，余震小而少，且与主震震级相差悬殊，地震能量基本上是能过主震一次性释放的。

（2）主震——余震型：一个地震序列中，最大的地震特别突出，所释放的能量占全序列能量的90%以上。这个最大的地震叫主震，其他较小的地震中，发生在主震前的叫前震，发生在主震后的叫余震。

（3）双震型：一个地震活动序列中，90%以上的能量主要由发生时间接近、地点接近、大小接近的两次地震释放。

（4）震群型：一个地震序列的主要能量是通过多次震级相近的地震释放的，没有明显的“老大”，几次地震（震群）所释放的能量占全序列的80%以上。

地震的破坏性极大，当地震发生时，地面的震动对建筑物会造成极大的作用力使其破坏，

主要的破坏作用集中于以下几个方面： （1）共振效应引起的震害

——结构的自振周期与场地土的自振周期接近或一致，引起建筑物的共振，导致结构破坏严重。

（2）结构平面或竖向布置不当引起的震害 （3）框架柱、梁和结点的震害

——由于柱体是支撑建筑物的主要受力位置，所以地震对建筑物的破坏很大部分会集中于对框架柱、梁和结点的破坏，尤其是梁柱结点区，常见的有柱顶震害、柱底震害、角柱震害和短柱震害等。

柱顶震害（图一）：柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝，严重的情况可以使混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。一般来说，这种震害是不易修复的。

柱底震害（图二）：与柱顶震害相似，但是由于一般柱底箍筋相对柱顶来说都是比较密的，所以一般柱底震害相对柱顶都会较轻。

短柱震害（图三）：当柱高小于4倍柱截面高度时可称为短柱。短柱的刚度大，而且容易产生剪切破坏，所以短柱的震害较一般的柱体震害要强。

角柱震害（图四）：角柱由于双向受弯、受剪，加上扭转作用，震害一般比内柱要严重。

图一：柱顶震害

图二：柱底震害

图三：短柱震害

（4）框架砖填充墙的震害

——框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。

图四：角柱震害

二、高层建筑抗震经验

在多年的高层建筑实践过程当中，人们开始总结出一些有利于抗震或不利于抗震的经验

来，这些经验可以说是建筑抗震概念设计的基础，人们是在这些经验的基础上加以深入探讨、研究，才形成我们今天比较完善的建筑抗震知识。 （1）地基方面

地基，可以说是一栋建筑的根，只有根基稳固了，才能抵挡外来的冲击，人们发现砂土等土质会引起地基不均匀沉陷，导致上部结构破坏或整体倾斜，例如在具有深厚软弱冲击土层的场地土，高层建筑的破坏率显著曾高。人们又发现了当高层建筑的基础周期与场地自振周期相近时，破坏程度因共振效应而加重。 （2）房屋体型方面

房屋体型对抗震效果也有重要影响，人们在灾后观察发现L形等复杂平面房屋破坏率

显著增高，有大地盘的高层建筑群房顶面与主楼相接处楼板面积突然减小的楼层破坏程度也

会加重，房屋高宽比较大的房屋也会使建筑的受破坏程度加剧。 （3）刚体分布方面

如果从平面刚体分布结构来观察，人们发现采用L形、三角形等不对称平面的建筑，地震时发生扭转破坏而使震害加重，但即使是矩形平面建筑，若电梯间竖筒等抗侧力构件布置存在偏心时，同样因扭转而使震害加重。

除了以上提到的这些经验外，人们还从结构体系、构件形式等方面进行来观察、总结，

从这些经验之中开始寻找一些共性和规律，慢慢的演化成建筑抗震概念设计的知识，也在不断的观察、总结之中将其补充得更完整。

三、建筑抗震概念设计

根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为概念设计。首先要明确，究竟我们设计出来的建筑需要达到什么目的呢？——关键在于两个方面：

（1）剪切：所设计出的建筑物在地震震动下发生剪切形变不能过大、更不能剪断

（2）弯曲：所设计出的建筑物在地震震动下发生弯曲形变不能过大、不因拉或压发生破坏，但也不因由于房屋刚性过大而在震动中发生倾覆

一般在建筑抗震概念设计当中使用以下两个系数来衡量建筑物的抗剪切和抗弯曲指标： （1）SRI (Shear Rigidity Index)

SRI=100

SRI=62.5

SRI=31.3

（2）BRI (Bending Rigidity Index)

BRI: 100 （在此提供两0个参考数据，美国世贸中心和帝国大厦的BRI都为33）

BRI: 63

BRI:56

BRI: 33 成束筒 BRI: 33

（花旗银行大厦） （为一般高层建筑所采用）

如前所述，人们知道建筑物的修建场地对建筑物的抗震性能，有着重要影响，因此，在进行抗震概念设计之初就需要对场地进行选择。对于场地的选择，简而言之就是要“避开地震危险地段，选择有利于抗震的场地”。

地震危险地段是指地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、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地表错位的地段。这包括了断层、陡峭的山区、易发生滑坡或存在液化润滑夹层的坡地以及地陷、大面积采空区。在选址时要尽量避免这些地形的同时，还需要避开不利地形、远离河岸、不跨两类土层、不采用震陷作为天然地基等。因尽量选择开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土。

选好址之后，建筑的平面布置就需要进一步考虑了，不规则的平面布置包括： （1）扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍

（2）凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%

（3）楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层

在平面布局设计当中，应当选择简单、规则、对称的设计，质量和刚度变化均匀，尽量减少偏心、避免楼层错层，不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。

平面之后就到建筑的立面设计了，建筑的不规则里立面布置包括：

（1）侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25% （2）竖向抗侧力构件不连续：竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递)

（3）楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%

在考虑立面设计的时候，竖向体型应当规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度以下大上小为佳，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。并且尽量采用结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通的方式。

有了这些之后，建筑的雏形就基本完成了，当然在抗震设计方面还有其他要注意的地方，例如要选择合适的房屋高度、合适的房屋高宽比、有足够的基础埋深、对防震缝的合理设置等等，只有将所有所有这些工作都细致、认真完成后，一栋初步具有抗震效果的建筑才算是设计完成。

后语

其实，地震来临无法避免。我们能做的除了要努力将预报时间不断往前赶的同时，千万别忘记，即使地震能够准确预报出来了，但是，它依然会如期而至，造成财产损失是无可避免的。所以我们必须要同时向另外一个方向努力——抗震防震工作，只有这方面做好了，才可以将地震的损失降到最低，这也应该是地球物理学生努力的一个方向。