7.4 建筑结构抗震设计众所周知，当我们设计一般的结构时，往往要求结构在规定荷载作用下处于或基本处于弹性工作阶段，结构设计要有足够的强度，保证安全，又要有足够的刚度，保证结构的变形在使用许可范围之内。这种预应力结构内力的分析与设计一般采用弹性分析法。在实际工程中，按照这样的原则设计出来的结构，如果没有遇到特别的情况，在预期的荷载作用下，极少出现严重破坏、过度变形等不正常状态。而地震作用则不同，由于地震本身的随机性很强，在某一地区，在某一基准期内，可能出现的最大地震动是一个随机变量，事先无法预知。相对于上述荷载，地震动的影响次数少，作用时间短，各次地震的强度差异很大。若要求在各种强度地震动下，结构仍然保持弹性状态是很不经济的，甚至是不可能的。因此，结构的抗震设计与结构抗御其他荷载作用的设计是不同的，结构工程师应准确理解与把握结构抗震设计的基本原理。7.4.1 结构抗震的设计思想一、 建筑抗震的三水准 我国在89规范修订的同期，即20世纪70年代后期至80年代中期，国际上关于建筑抗震设防思想出现了一些新的趋势，其中最具代表性的当属美国应用技术委员会ATC的研究报告ATC306。其在回顾和总结了1976年以前的地震灾害第一次尝试性地对结构抗震设计的风险水准进行了量化，同时还明确提出了建筑的三级性能标准：（1） 允许建筑能抵抗较低水准的地震动而不破坏；（2） 在中等水平地震动作用下主体结构不被破坏；（3） 在强烈地震作用下，建筑不会倒塌，确保生命安全。另外，对某些重要设备，特别是应急状态下对公共的安全和生命其主要作用的设备，在地震时和地震后要保持正常运行。基于上述趋势，89规范结合我国的经济能力，在78规范的基础上对抗震设防标准作了如下一些规定：（1） 在遭受本地区规定的基本烈度地震影响时，建筑（包括结构和非结构部分）可能有损坏，但不致危及人民生命财产安全，不需修理或稍加修理即可恢复使用；（2） 在遭受较常遇到的、低于本地区规定的基本烈度的地震影响时，建筑不损坏；（3） 在遭受预估的、高于基本烈度的地震影响时，建筑不致倒塌或发生危及人民生命财产的严重破坏。上述三点规定可概述为“小震不坏、中震可修、大震不倒”这样一句话，即89规范以来，我国建设工程界秉承的抗震设防思想。按照上述抗震设防思想，从结构受力角度看，当建筑遭遇第一水准烈度地震（小震）时，结构应处于弹性工作状态，可以采用弹性体系动力理论进行结构和地震反应分析，满足强度要求，构件应力完全与按弹性反应谱理论分析的计算结果相一致；当建筑遭受第二水准烈度地震（中震）时，结构越过屈服极限，进入非弹性变形阶段，但结构的弹塑性变形被控制在某一限度内，震后残留的永久变形不大；当建筑遭遇第三水准烈度地震（大震）时，建筑物虽然破坏比较严重，但整个结构的非弹性变形仍受到控制，与结构倒塌的临界变形尚有一段距离，从而保证了建筑内部人员的安全。二、科学布局建筑平面和立面建筑平面和立面的规整性是整个结构设计中一个十分基础、重要的内容。抗震设计中，建筑平面、立面宜尽可能简洁、规则，结构质量中心与刚度中心相一致。对于结构平面布置不规则的房屋质心与刚度中心往往不容易重合，在地震作用下会产生扭转效应，大大加剧地震的破坏力度；对体型不规则的房屋应注意偏离结构刚心远端墙段的抗震验算。建筑立面应避免头重脚轻，房屋重心尽可能降低，避免采用错落的立面，突出屋面建筑部分的高度不应过高，以免地震时发生鞭梢效应，同时应控制好结构竖向强度和刚度的均匀性。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案，即使不可避免时，也应尽量在适当部位设置防震缝，将体型复杂，平面特别不规则的建筑布局分割成几个相对规则的独立单元。在实际工程设计中，应尽可能兼顾建筑造型，又满足使用功能要求的前提下，将平面布置、立面外观造型设计得较为规整、简洁、美观大方；同时又能有效地提高工程的抗震性能。在实际工程中，对于各种不规则程度的判断和把握，可参照建质【2006】220号文件超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点的相关规定执行：（1）一般不规则，按建筑结构布置上出现表1中一项不规则进行界定。（2）特别不规则，按以下三种类型进行判断： 同时具有表1所列基本不规则的三个或三个以上； 具有表2所列的一项不规则； 具有表1所列两项基本不规则且其中有一项接近表2的不规则指标。（3）严重不规则，指体型复杂，多项实质性的突变指标或界限大大超过规定值。 不规则建筑方案的基本类型 表 1 序不规则类型 含 义 备注1扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2GB50011第3.4.2条2偏心布置偏心距大于0.15或相邻层质心相差较大JGJ99第3.2.2条3凸凹不规则平面凸凹尺寸大于相应边长30等GB50011第3.4.2条4组合平面细腰形或角部重叠形JGJ99第4.3.3条5楼板不连续有效宽度小于50，开洞面积大于30，错层大于梁高GB50011第3.4.2条6刚度突变相邻层刚度变化大于70或连续三层变化大于80GB50011第3.4.2条7尺寸突变缩进大于25，外挑大于10和4JGJ99第4.4.5条8构件间断上下墙、柱、支撑不连续，含加强层GB50011第3.4.2条9承载力突变相邻层受剪承载力变化大于80 GB50011第3.4.2条 特别不规则的项目举例 表2序简 称 含 义1扭转偏大不含裙房的楼层扭转位移比大于1.42抗扭刚度弱扭转周期比大于0.9，混合结构扭转周期比大于0.853层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的504高位转换框支转换构件位置：7度超过5层，8度超过3层5厚板转换79度设防的厚板转换结构6塔楼偏置单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长的207复杂连接各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体结构8多重复杂结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔类型的两种以上7.4.2 结构抗震的基本知识一、 房屋体型方面（1） 平面复杂的房屋，如L型、Y型等，破坏率显著增高；（2） 有大地盘的高层建筑，裙房顶面与主楼相接处楼板面积突然减小的楼层，容易破坏；（3） 房屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑，底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏；（4） 相邻结构或毗邻建筑，因相互间的缝隙宽度不够而发生碰撞破坏。二、 结构体系方面（1） 相对于框架体系而言，采用框墙体系的房屋，破坏程度较轻，特别有利于保护填充墙和建筑装修免遭破坏；（2） 采用“框架结构 + 填充墙”体系的房屋，在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时，柱上端易发生剪切破坏；外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏；（3） 采用钢筋混凝土板柱体系的房屋，或因楼板冲切破坏，或因楼层侧移过大，柱顶、柱脚破坏，各层楼板坠落，重叠在地面；（4） 采用“底部纯框架 + 上部砌体结构”体系的房屋，相对柔弱的底层，破坏程度十分严重；采用“框架结构 + 填充墙”体系的房屋，当底层为开敞式的纯框架，底层同样遭到严重破坏；（5） 采用单跨框架结构体系的房屋，因结构整体缺乏缓冲度，强震下容易整体倒塌；（6） 在框架结构中，绝大多数情况下，柱的破坏程度重于梁和板；（7） 钢筋混凝土框架，如在同一楼层中出现长、短并用的情况，短柱破坏严重。三、 刚度分布方面（1） 采用L型、三角形等不对称平面的建筑，地震时因发生扭转振动而使震害加重；（2） 矩形平面建筑，电梯间竖筒等抗侧力构件的布置存在偏心时，同样因发生扭转振动而使震害加重。四、 其他方面（1） 钢筋混凝土多肢剪力墙的窗下墙（连梁）常发生斜向裂缝或交叉裂缝；（2） 配置螺旋箍的钢筋混凝土柱，当层间位移角达到很大数值时核心混凝土仍保持完好，柱仍具有较大的竖向承载能力；若螺旋箍崩开，则核心混凝土破碎脱落；（3） 竖向布置不合理易导致建筑竖向刚度突变，产生抗震能力薄弱的楼层；（4） 局部布置不合理，容易使框架柱形成短柱，产生剪切破坏；（5） 附于楼屋面的机电设备、女儿墙等非结构，地震时易倒塌或脱落伤人，设计时应采取与主体结构可靠的连接与锚固措施。五、 良好的结构屈服机制一个良好的结构屈服机制，其特征是结构在其杆件出现塑性铰后，竖向承载能力基本保持稳定，同时，可以持续变形而不倒塌，进而最大限度地吸收和耗散地震能量，因此，一个良好的结构屈服机制应满足下列条件：（1） 结构的塑性发展从次要构件开始，或从主要构件的次要杆件（部件）开始，最后才在主要构件上出现塑性铰，从而形成多道防线；（2） 结构中所形成的塑性铰的数量多，塑性变形发展的过程长； （3） 构件中塑性铰的塑性转动量大，结构的塑性变形量大。六、 保证结构延性能力的抗震措施 延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大，混凝土受压区高度就越大，延性越差；受压钢筋越多，混凝土受压区高度越小，延性越好；混凝土强度越高，受压区高度越低，延性越好（但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性）；对柱子这类偏压构件，轴压力的存在会增大混凝土受压区高度，减小延性；箍筋可以提高混凝土极限压应变，从而提高延性，但对于高强度混凝土，受压时，其横向变形系数较一般混凝土明显偏小，箍筋的约束作用不能充分发挥，所以对于高强度混凝土，不适于用加箍筋的方法来改善其延性。此外，箍筋还有约束纵向钢筋，避免其发生局部压屈失稳，提高构件抗剪能力的作用，因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用。根据以上规律，在抗震设计中为保证结构的延性，常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。 此外，那些一般不属于主体结构的非结构构件也应引起足够重视，应做好其细部构造，如吊顶、装饰、附属机电设备、女儿墙等，应加强锚固，防止其脱落伤人。7.4.3 多层砌体房屋的抗震设计一、 多层砌体房屋的结构体系应符合下列要求：（1）应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系。（2）纵横墙的布置宜均匀对称，沿平面内宜对齐，沿竖向应上下连续，同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。（3）房屋有下列情况之一时宜设置防震缝，缝两侧均应设置墙体，缝宽应根据烈度和房屋高度确定，可采用50mm或100mm: 房屋立面高差在 6m 以上； 房屋有错层 且楼板高差较大； 各部分结构刚度 质量截然不同； 楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角处； 烟道、风道、垃圾道等不应削弱墙体，当墙体被削弱时，应对墙体采取加强措施，不宜采用无竖向配筋的附墙烟囱及出屋面的烟囱； 不应采用无锚固的钢筋混凝土预制挑檐。二、 砌体房屋的总层数及总高度不应该超限值历次震