浅谈我国建筑抗震及展望

浅谈我国建筑抗震及展望

牛开亮

（中国矿业大学力建学院，江苏徐州02100772）

摘要：本文从我国地震概况及地震发生事件论述了我国进行抗震设防的必要性及背景，结合我国

抗震的实际情况简要叙述我国在建筑抗震方面所取得的成就与发展，在此基础上分别从我国建筑

抗震相关规定、抗震设计理论及高层建筑抗震设计三个方面着重对建筑抗震进行了详细的阐述，

并提出提升我国抗震设防质量的举措，最后对我国的建筑抗震提出了未来的发展方向及其展望。

关键词：地震；抗震设计；抗震措施；抗震展望

一、我国建筑抗震背景

我国是个多地震国家，存在着的五个主要地震区包括：青藏高原地震区、华北地震区、新疆地震区、台湾地震区和华南地震区。青藏高原地震区是我国最大的一个地震区，也是地震活动最强烈、大地震频繁发生的地区，这次512 四川汶川大地震就在该区；华北地震区的地震强度和频度仅次于青藏高原地震区，位居全国第二，而且该地区是人口密集、大城市集中、政治和经济、文化、交通都很发达的地区，地震灾害的威胁极为严重；新疆地震区的强烈地震较多，也较频繁，但多数地震发生在山区，造成的人员和财产损失与我国东部几条地震带相比要小许多；台湾地震区不断发生强烈破坏性地震也是众所周知的；华南地震区历史上也曾发生过较高震级的地震，但最近几百年没有发生过很大的地震。国家汶川地震专家委员会委员、中科院院士滕吉文建议灾区重建建筑地震烈度设防提高到9 度。根据现行的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，我国主要城镇的抗震设防烈度仅在 6 度到9 之间，此次受灾严重的汶川、北川等地则处于7 度抗震设防区，然而却遭到了高达相当于11-12 度的地震灾害。重大的灾难有时能带给人们更多的经验和教训。专家认为，在上述五个主要地震区，尤其是人口密集的地区，抗震设防烈度至少应该提高一个烈度来设防。我们正在构建和谐社会，倡导以人为本，所以要加大投入成本，提高设防烈度，尽可能的保障生命安全。以下是我国建国以来较大（7

二、我国建筑抗震的发展

1．制定和建立了工程抗震防灾技术标准体系

唐山地震之后的30年，尤其改革开放以来，随着我国国民经济的发展，城市建设工程日益增多，我国的建设行政主管部门尽快制定和出台了以《建筑抗震设计规范》等抗震设计标准，并不时进行修订。目前，主要的标准有《建筑抗震设计规范》、《构筑物抗震设计规范》、《室外给排水和燃气热力工程抗震设计规范》、《建抗震设防分类标准》、《建筑抗震鉴定标准》、《室外给排水工程设施抗震鉴定标准》、《室外燃气热力工程设施抗震鉴定标准》、《工业构筑物抗震鉴定标准》、《铁路工程抗震设计规范》、《电力设施抗震设计规范》、《核电厂抗震设计规范》。对超限高层抗震设防还进行专项审查，同时正在制定或即将出台的有《城市抗震防灾规划编制标准》、《城市抗震防灾规划技术标准》，《村镇综合防灾规划标准》、《村庄与集镇防灾规划标准》和《村镇建筑抗震技术规程》等，各行业、各地方也都有相应的行业标准和地方标准。这些抗震技术标准的制定，对我国的抗震减灾工作起到了重要作用。2．进行了抗震防灾工作的法制建设

1989年颁布了《中华人民共和国城市规划法》，特别是1997年由全国人大常委会通过的《中华人民共和国防震减灾法》，以此为据，我国的中央政府和建设行政主管部门先后定了相应的法律法规和部门规章，如《建设工程质量管理条例》、《建设工程勘察设计管理条例》、《建设工程施工图设计文件审查暂行办法》、《房屋建筑工程抗震设防管理规定》等。目前，正在组织力量进行《市政基础设施工程抗震设防管理规定》和《建设工程抗御地震灾害管理条例》编制和调研工作。随着我国综合国力的提高，抗震防灾工作将会跃上一个新的台阶，为我们营造安全和谐的社会奠定坚实基础

3．城市综合防灾减灾体系初步建立

防灾减灾，规划先行，我国已在近700个大中小城市开展了抗震防灾规划的编制工作。抗震防灾规划编制由城市推广到区域范围，如京西北（包括北京、天津、河北、山西、内蒙等省区）和苏南（包括南京、苏州、无锡等城市）等完成了综合防御体系；另一方面，在大中型工矿企业，如石油、化工、冶金、铁路、电力等结合企业自身的特点，开展了企业抗震防灾规划的编制工作。

4.建筑抗震技术的发展

4. 1 砌体房屋抗震技术

对砌体结构的破坏机理提出了以剪摩理论为基础的理论及同时考虑剪切和拉裂

作用的理论为基础的强度验算方法，总结唐山大地震的教训，提出圈梁-构造柱体系，增强了砌体结构的延性性能和抗倒塌能力。对设置R.C构造柱或低矮剪力墙砌体结构、底部框架上部砌体结构等进行试验研究，提出了抗震强度验算方法和抗倒塌技术措施。随着“限实禁实”政策的实施，发展了以砌块为主的约束与配筋砌体结构体系。

4. 2 钢筋混凝土结构抗震技术

对剪力墙结构、框架、框架一剪力墙、简体结构、底层大空间框支结构进行试验研究，从单个构件，节点、局部结构大比例模型到大、小比例整体结构模型试验，研究钢筋混凝土结构受力和变形特征及破坏机理；在理论计算上考虑了结构不对称、偶然偏心和空间作用，考虑弹塑地震反应的时程法分析，小震下的结构强度和变形验算，大震下的结构累积损伤和防倒塌验算；在抗震设计方面提出了三个水准的设防原则，重视结构概念设计和构造措施；发展了钢筋混凝土结构、尤其是高层建筑的抗震设计应用软件。

4. 3隔震、减震与结构控制技术

建筑抗震从消极被动的“抗”到积极主动的“隔、消、控制”是抗震理念的一次飞跃。所谓隔震技术是利用橡胶、有机材料等具有足够初始刚度、较大阻尼而又允许较大侧向变形的材料将结构与基础隔离。在正常情况下或轻微地震作用下正常使用，大地震发生时能有效地隔绝地面运动，降低结构地震反应加速度60%以上。结构消能减震技术是在结构的某些部位设置消能支撑（阻尼器），在风荷载和小地震作用下，这些阻尼器处于刚弹性状态，使结构具有足够的抗侧力刚度以满足正常使用要求。而在强震作用下，阻尼器率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗地震能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态而得到保护。

5.现有建筑抗震鉴定与加固技术

唐山地震以前，我国大多数地震区的房屋和工程设施没有抗震设防，唐山大地震后，对这些房屋和工程设施的鉴定和加固成为一项刻不容缓的任务。我国建立了抗震鉴定及加固的基本管理体制，制定了主要着眼于安全的技术标准TJ23-77，在国家计划的统一安排下，7度及以上抗震设防地区完成了一批现有建筑的鉴定和加固；抗震鉴定采用计算鉴定和构造鉴定两方面，并提出了多层砖房面积率计算的简化抗震验算方法；抗震加固提出了提高强度、提高变形能力和加强整体性的三个目标，以圈梁、外加构造柱、夹板墙和钢构套等四大法宝为基本手段，形成了增强自身法、外包加固法、外加构件法和替换法等基本加固方法。

6.建筑抗震试验技术的发展

唐山地震后，国家投入了大量资金在科研机构、高等院校中建立了一批试验室，

为我国抗震规范的编制、抗震设计理论研究、重大工程建设项目技术咨询做了大量的工作，成为我国工程抗震技术进步的重要支撑。在试验方法上发展了拟静力加载、拟动力加载及振动台模拟地震三大试验技术，对模型试验的相似关系、加载模式、试验技术及试验设备开发诸方面都进行了深入的研究。

三、我国建筑抗震设计

1.建筑抗震设计相关规定

1．1建筑等级划分

抗震设防的所有建筑应按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223确定其抗震设防类别及其抗震设防标准。

○1甲类建筑：使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可

能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。

○2乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地

震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。地震破坏后会产生较大社会影响或造成相当大的经济损失，包括城市的重要生命线工程和人流密集的多层的大型公共建筑等。

○3丙类建筑：除了甲乙丙类以外的建筑，通常的民房是这类建筑。

○4丁类建筑：使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度

降低要求的建筑，其地震破坏不致影响甲、乙、丙类建筑，且社会影响和经济损失轻微。一般为储存物品价值低、人员活动少、无次生灾害的单层仓库等。

1.2抗震设防类别建筑的抗震设防标准

中国建筑的抗震设防，是以抗震设防烈度作为标准的，简言为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

①甲类建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定。抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应按比9度抗震设防更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；

②乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。

对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。同时，应按不低于本地区抗震设防烈度确定其地震作用。

③丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用。当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施.按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级烈度，按调整后的抗震等级烈度。

④丁类建筑，一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。

2.建筑抗震设计的理论

2.1拟静力理论

拟静力理论是20世纪10~40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数（地震系数）。

2．2反应谱理论

反应谱理论是在加世纪40~60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是

加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要

成果。

2.3动力理论

动力理论是20世纪70－80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60

年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多。进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

3．高层建筑抗震设计

地震是一种自然现象，至今尚不能科学地定量、定时、定点预测，其破坏具有多发性、连锁性和严重性等特点。对于一些超高层建筑物，目前很多设计已经不再局限于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防标准，对重要结构必要时可以高于上述标准，很多抗震设计思想和方法是在总结国内外工程震害经验的基础上提出来的。中国的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法作了以下规定：a高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。b除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱方法。c特别不规则的建筑、甲类建筑和限制高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。目前我国抗震设计方法的具体运用主要表现在以下几个方面：

○1阻尼器的使用

进入20 世纪以来，人们对建筑物抗振动能力的提高做出了巨大的努力，取得了显著的成果。其中尤为重要的是阻尼器在结构抗震减灾中的运用。人们利用阻尼器抗振、减震和吸能的特点，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震对高建筑的破坏作用。

○2柔性结构的运用

中国自古有“以柔克刚”的思想，即刚劲的东西不一定要用更刚劲的去征服，有时需要用柔软的事物去克制。在高层建筑抗震当中，即由传统的以“硬抗”为主的抗震体系转变为以“柔抗”为主的结构减震控制体系。建筑采用动力平衡的建筑结构体系防震减震效果会更好，这样可以以柔克刚、刚柔相济，有效的释放地震冲击力。基础部分的消震装置起隔断地震冲击力作用，上部设置的隔震减震装置则将冲击力的传力进一步切断，这就可以从根本上降低地震的破坏力。

○3高延性构件的运用

目前，我国的高层建筑很多采用延性结构体系来抗震设防，即适当控制结构的刚度，容许结构构件在地震时进入塑性状态，具有较大的延性，以此消耗地震能量，减小地震反应，减轻地震给高层建筑带来的破坏与损失。如果一座高层建筑物具有较大的延性，即使承载能力较低，它所能吸收的能量也会较大，虽然较早出现损坏，但能经受住较大的变形，避免倒塌；而仅有较高强度而无塑性变形能力的脆性结构，吸收能量的能力弱，一旦遭遇超过设计水平的地震时，很容易因脆性破坏而突然倒塌。所以，延性结构的运用这种体系，在很多情况下是有效的，它可以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。

○4设置多道抗震防线

高层建筑结构需要设置多道抗震防线。建筑物应设置多道抗震防线，当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡的地震动的冲击，使建筑物免于倒塌。

在对结构的抗震设计中，除要考虑概念设计、结构抗震验算外，历次地震后人们在限制建筑高度，提高结构延性（限制结构类型和结构材料使用）等方面总结的抗震经验一直是各国规范重视的问题。当前，在抗震设计中，从概念设计，抗震验算及构造措施等三方面入手，在将抗震与消震（结构延性）结合的基础上，建立设计地震力与结构延性要求相互影响的双重设计指标和方法，直至进一步通过一些结构措施（隔震措施，消能减震措施）来减震，即减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有良好而经济的抗震性能是当代抗震设计规范发展的方向。而且，强柱弱梁，强剪弱弯和强节点弱构件在提高结构延性方面的作用已得到普遍的认可。

四、提升我国建筑抗震的措施

1.正确的选址

根据《中华人民共和国防震减灾法》规定，对于重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，必须进行地震安全性评价；并根据地震安全性评价的结果，确定抗震设防要求，进行抗震设防。建筑物建造在软弱地基或可液化场地或临近地震断层，地震对场地液化导致地基失效，建筑物倾斜而易于倒塌。务必重视社会经济系统的安全，规划时应注意避免导致地震次生灾害或使次生灾害限于局部。新设计建筑物时，要选择对抗震有利的地段，避开对建筑不利的地段，不应在危险地段建造各类工业与民用建筑。

2.采用合理结构形式

目前我国建筑常用结构形式有砖混结构、钢筋混凝土结构、钢筋——混凝土组合结构、钢结构。可根据不同的地区，不同设防烈度选择不同的结构形式。在确定结构方案时，应根据建筑使用功能要求和抗震要求进行合理选择。从抗震角度来说，结构的侧移度是选择结构体系时要考虑的重要因素，特别是对于高层建筑的设计，这一点起控制作用，随着多层和高层房屋高度的增加，结构在地震作用以及其他荷载作用下产生的水平位移迅速增大，要求结构的抗侧移刚度必须随之增大。而不同类型的钢筋混凝土结构体系，由于构件及其组成方式的不同和受力特点的不同，在抗侧移刚度方面有很大差别，他们具有各自不同的合理使用高度。

3.提高设计质量

地震尤其是震级和烈度高的地震，危害性非常大，建筑物的抗震性能就显得尤为重要。目前我国抗震设计的目标是“小震不坏，大震不倒”，但目前我国建筑结构设计水平还很低，大量的建筑所采用的建筑方案不是很合理，导致结构方案无法合理布置，增加材料用量，带来两个恶果：—是造价升高；二是自重增加，导致地震作用加大，从而布置更多材料。因此，从建筑设计的角度出发，在正确的抗震理论指导下，依据合理的设计原则，同样可提高甚至保证建筑结构的安全可靠性。设计的原则应包括：结构构件应具备足够大的承载能力；结构应具有足够大的刚度以减小地震作用下的扭转和位移；结构应具有足够大的延性和耗能能力。

4.加强建筑施工管理

科学合理的抗震设计，必须通过高质量高水平的施工才能实现。如果说设计是“理论”，那么施工就是“实践”，施工是为了实施设计意图，施工质量的好坏，直接影响建筑物的抗震能力。现行的抗震设计规范与施工规程，对施工标准，施工技术与措

施及施工质量等均作了明确的规定，严格执行国家制定的建筑抗震设计规范，特别是强制性抗震技术规范是非常必要的。

五、我国建筑抗震的展望

1.建筑抗震分析与设计方面

1.1基于位移的结构抗震设计

我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计，为了实现基于位移的抗震设计，第一步需要研究简单结构（例如框架及悬臂墙）的构件变形与配筋关系，实现按变形要求进行构件设计；进而研究整个结构进入弹塑性后的变形与构件变形的关系。这就要求除了小震阶段的计算外，还要按大震作用下的变形进行设计，也就是真正实现二阶段抗震设计，这是结构抗震设计的发展趋势。

1.2动力时程响应分析的状态空间迭代法

该种方法把现代控制理论中的状态空间理论应用到高层建筑结构动力响应问题，根据结构动力方程，引入位移与速度为状态变量，导出状态方程，给出非齐次状态方程的解，进而建立状态空间迭代计算格式。经工程实例验算，具有较高精度。特别对多自由度体系的多输入、多输出等问题的动力响应解法，效率较高。

1.3材料参数随机性的抗震模糊可靠度分析

该种方法从结构整体性能出发，改变过去对结构抗震可靠度的研究只考虑荷载的不确定性而忽略了其他多种不确定因素，综合考虑了材料参数的变异性，地震烈度的随机性及烈度等级界限的随机性与模糊性对结构抗震可靠度的影响。其研究成果可用于对现有的结构进行抗震可靠度评估，并可用于指导基于可靠度理论的结构抗震设计。

1.4隔震和消能减震设计的推广和应用

目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，在很多情况下是有效的，但也存在很多局限性。随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高，使“延性结构体系”的应用日益受到限制，传统的抗震结构体系和理论越来越难以满足要求，而由于隔震消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来的建筑结构中将得到越来越广泛的应用。

2.建筑抗震鉴定加固方面

2.1注重整体抗震概念

抗震鉴定加固应该从注重某些构件的抗震能力的加强，转变为对整体结构抗震性能的加强，避免出现加固了某些构件或部位，却使其他构件或部位成为薄弱环节的情况。

2.2发展新材料

材料科学的发展使许多新型材料出现的同时，使得原来价格昂贵的材料变得价廉物美，能够引入土木工程领域。譬如近几年碳纤维材料引入加固补强领域。

2.3开发新工艺

抗震加固应该从工艺角度进行研究，开发出简单易行、对周围环境（包括噪音、粉尘、湿作业、对施工人员和使用者）无不利影响的工艺，并附注实施、广泛推广。

2.4积极学习、引进先进的理念和技术

现阶段，有许多国家的抗震鉴定加固理念和技术比我国先进，对这些先进的理念和技术，我们应该针对我们国家自己的实际情况，有所选择的引进、吸收，应用到我国抗震鉴定加固领域。

3.抗震试验技术方面

进一步开展模型试验相似理论、抗震试验新技术和建筑抗震试验的计算机数值模拟技术。

4.建筑结构抗震方面

结构抗震体系由传统的以“硬抗”为主的抗震体系向以“柔抗”为主的结构减震控制体系发展；结构减震体系采用的是以“柔”克刚的新概念，它通过调整结构动力特性、隔震、减能或控制来达到抗震的目的；结构抗震研究对象由单个构件向整个结构发展。这样得到的研究结构更符合真实情况；建筑材料对结构抗震的影响越来越得到重视；计算机模拟抗震试验得到广泛应用。

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