结构概念设计三

结构概念设计（三）
3.抗震结构体系的优化配置
（1）多道抗震防线
一次巨大的地震产生的地面运动，能造成建筑物破坏的强震持续时间少则几秒，多则几十秒，有时甚至更长（汶川地震强震持续时间80秒以上），一个接一个强脉
冲对房屋往复式冲击，造成积累式的破坏。

如果建筑物采用仅有一道防线的结构体
系，一旦该防线破坏后，在后续地面运动的作用下，就会倒塌；特别是当建筑物自
振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物会发生类共振，更加速倒塌过程。

如果采
用多重抗侧力体系，第一道防线破坏后，第二道、第三道防线抗侧力立即发挥作用，
接替挡抗住后续的冲击，避免倒塌。

在遇到建筑的基本周期与地震动卓越周期相近
时，多道防线就显出良好性能，当第一道防线因共振破坏后，第二道防线接替工作，
自振周期大幅变化错开了地震动卓越周期，避开出现持续的类共振，从而减轻地震
的破坏作用，因此设置合理的多道防线是提高抗震能力、减轻破坏的必要手段。

例如，在框架-剪力墙结构中，延性的抗震墙是第一道防线，令其承担全部地震力，延性框架是第二道防线，要其承担墙体开裂后转移到框架的部分地震剪力。

对于单层厂房，柱间支撑是第一道防线，承担了厂房纵向的大部分地震力，未设支撑的开间柱则承担因支撑损坏而转移的地震力。

（2）足够的侧向刚度
但“刚一些好”还是“柔一些好”应结合结构的具体高度、体系和场地条件进行综合判断。

根据结构反应谱分析理论，结构越柔周期越长，结构在地震作用下的加速度反应越小，即地震影响系数越小，结构所受到的地震作用就越小。

但是，是否就可以
设计得柔一些减小结构的地震作用呢？
国内外地震表明一般性高层建筑还是刚比柔好。

采用刚性结构方案的高层建筑不仅主体结构破坏轻，而且由于地震对结构变形小，隔墙、围护墙等非结构构件受
到保护，破坏也轻。

正是基于上述原因，目前世界各国的抗震规范对结构的抗侧刚度提出明确要求。

我国《抗规》规定了各类结构多遇地震和罕遇地震下的变形限值要求（见《抗规》
表5.5.1及表5.5.5）。

此外，结构振动和变形的大小不仅与结构刚度有关，还与场地土有关。

当结构自振周期与场地土的卓越周期接近时，建筑物地震反应会加大，变形和地震力都会
加大。

因此，还应根据场地条件来设计结构，硬土地基上的结构可柔一些，软土地
基上的结构可刚一些，通过改变结构刚度调整结构自振周期，使其偏离场地的卓越
周期。

较理想的结构是自振周期比场地卓越周期更长，如果不可能，则应使其比卓
越周期短得较多，因为在结
构出现少量裂缝后，周期会
加长，要考虑结构进入弹塑
性状态时结构自振周期加长
后与场地卓越周期的关系，
如果有可能发生类共振，则
应采取有效的措施，因此在
进行较高的高层建筑设计前，
应取得场地土动力特性的勘
测资料。

（3）足够的冗余度
防止建筑物的倒塌是我们的最低目标，而建筑的倒塌往往是结构破坏后致使结构体系变为机动体系的结果。

因此，结构的冗余度（即超静定次数）越多，进入倒塌的过程就越长。

从能量耗散角度看，在地震作用下，结构上每出现一个塑性铰，即可吸收和耗散一定数量的地震能量。

在整个结构变成机动体系之前，能够出现的塑性铰越多，耗散的地震能量就越多，就更能经得住较强地震而不倒塌。

从这个意义上说，结构冗余度越多，抗震安全度就越高。

从结构传力路径上看，超静定结构明显优于静定结构。

静定结构，传递水平地震作用的路径是单一的，一旦其中某一根杆件或局部节点产生破坏，整个结构就会因传力路线的中断而失效。

而超静定结构的情况就好得多，结构在超负荷状态工作时，破坏首先发生在赘余杆件上，地震作用还可以通过其它途径传至基础，其后果仅仅是降低结构的超静定次数，但换来的却是一定数量地震能量的耗散，而整个结构体系仍然是稳定的、完整的，并且有一定抗震能力。

因此，一个好的抗震结构体系，一定从概念角度去把握，保证其具有足够多的冗余度。

（4）良好的结构屈服机制
其特征是结构出现塑性铰后，竖向承载能力基本保持稳定，并可持续变形而不倒塌，进而最大限度地吸收和散耗地震能量。

良好的结构屈服机制应满足下列条件：
a.结构塑性发展从次要构件开始，或从主要构件的次要杆件（部位）开始。

最后才在主要构件上出现塑性铰，从而形成多道防线。

b.结构中所形成的塑性铰数量多，塑性变形发展的过程长。

c.构件中塑性铰的塑性转动量大，结构的塑性变形量大。

结构的屈服机制分为两种基本类型：①楼层屈服机制
．．．．．．：结构在侧向荷载作用下，竖向构件先于水平构件屈服，导致某一楼层屈服或某几层楼层发生侧向整体屈服。

发生这种屈服机制的结构有弱柱框架结构、强连梁剪力墙结构等。

②总体屈服机制
．．．．．．：结构在侧向荷载作用下，全部水平杆件先于竖向杆件屈服，然后才是竖向杆件的屈服，发生这种屈服机制的结构有强柱框架结构、弱连梁剪力墙结构等。

图（一）、（二）为楼层机制，图（三）为总体屈服机制。

从图中可看出:①总体屈服机制其塑性铰数量远多于楼层屈服机制；②总体屈服的结构，侧向变形的竖向分布比较均匀；而发生楼层屈服的结构，不仅侧向变形分布不均匀，薄弱层处存在严重的延性变形集中。

从抗震的角度，应有意识地配置结构构件的刚度与强度，确保结构实现总体屈服机制。

（5） 构件设计的准则
从国内外多次地震认识到，建筑物在地震时要免于倒塌和严重破坏，结构中发生强度屈服顺序应符合如下条件：①杆先于节；②梁先于柱；③弯先于剪；④拉先于压。

就是说，一幢建筑遭遇地震时，其抗侧力体系中的构件（譬如框架）的损坏过程应该是：梁、柱或斜撑杆件的屈服先于框架节点；梁的屈服又先于柱屈服；而且梁和柱又是弯曲屈服在前，剪力屈服在后；杆件截面产生塑性铰的过程，则是受拉屈服在前，受压破坏在后。

这样，构件发生变形时，均具有较好的延性，而不是砼被压碎的脆性破坏。

即各环节中，塑性变形成分远大于弹性变形成分，那么这幢房屋就具有较高的耐震性能。

为使抗震力构件的破坏状态和过程能够符合上述准则，进行构件设计时，应遵循以下设计准则：①强节弱杆；②强柱弱梁（强竖弱平）；③强剪弱弯；④强压弱柱。

延性结构．．．．
的概念：延性是指构件和结构屈服后，具有承载能力不降低或基本不降低，且具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比表示延性，即塑性变形能力的大小。

塑性变形可以耗散地震能量，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能。

延性比．．．
:极限变形（曲率u φ、转角u θ或挠度u f ）与屈服变形（y φ、y θ、y f ）的比值。

屈服变形．．．．
的定义是钢筋屈服时的变形，极限变形一般定义为承载力降低10～20%的变形。

（6） 妥善处理非结构构件
其抗震对策，可根据不同情况区别对待：①做好细部构造，让非结构构件成为抗震结构的一部分，在计算机分析时充分考虑非结构构件的质量、刚度、强度和变形能力；②在构造做法上防止非结构构件参与工作，抗震计算时只考虑其质量、不
(一)(二)(三
)
考虑其强度和刚度；③防止非结构构件在地震作用下出平面倒塌；④对装饰要求高的建筑选用适当的抗震结构形式，主体结构要具有足够的刚度，以减小主体结构的变形量，避免装饰破坏；⑤加强建筑附属机电设备支架与主体结构的连接与锚固，尽量避免发生次生灾害。