如何提高建筑结构的抗震与抗倒塌能力

如何提高建筑结构的抗震与抗倒塌能力

陈恺

武汉欧乐建筑设计有限公司武汉430000

摘要：在区域抗震防灾系统的等级序列中，建筑物和基础设施的抗震能力是抗震防灾的第一道防线。房屋建筑的倒塌与破坏是造成地震灾害的最主要根源，正如美国科罗拉多大学的一位专家曾经说过，“造成伤亡的是建筑物，而不是地震”。因此，提高建筑物的抗震能力，特别是提高建筑物抗地震倒塌能力，是增强地震区抗震防灾能力的最重要组成部分。基于此，本文主要对如何提高建筑结构的抗震与抗倒塌能力进行分析探讨。

关键词：建筑结构；抗震；抗倒塌能力；提高措施

1、前言

地震灾害发生时，会产生纵波、横波、混合波三种形式的地震能量波，其中对建筑物威胁较大的是地震横波和混合波，倘若不注意加强抗震设计，就可能引发建筑剧烈震荡甚至倒塌，造成巨大人员伤亡与财产损失。因此，加强建筑结构抗地震抗倒塌能力设计，对保障人民生命财产安全具有重要现实意义。

2、建筑结构抗震倒塌设计中的主要影响因素

2.1建筑结构抗震抗倒塌设计中原材料的挑选

在建筑结构的抗震设计中，高质量的、抗震性能好的墙体和围护结构等材料的使用对提高建筑的抗震抗倒塌能力非常重要，可以提高建筑结构的强度保证建筑抗震抗倒塌的能力，减少地震对建筑物的破坏，最大程度地保障人们的生命财产安全。

2.2建筑结构的施工质量

除了建筑材料对建筑物的抗震能力有较大的影响，施工质量也是影响建筑抗震坍塌能力的一个重要的因素。目前，一些建筑企业为了眼前利益，偷工减料，在很大程度上忽略了施工质量，导致建筑物的施工质量难以符合建设要求，影响了建筑结构的抗震能力，最终对人们的生命财产安全造成了很大的威胁。

2.3地质勘探

设计房屋建筑时，建筑物的地理位置及其地质条件也是极为重要的影响因素之一。对于不同的地理位置，其地质条件存在较大的差异，因此，建筑物应采用不同的建筑结构。但是一些建筑企业没有勘察建筑物所处位置的地质条件，导致建筑结构设计不合理，并且严重影响了建筑的施工质量，容易引发安全事故。

3、提高建筑物抗地震倒塌能力的方法

3.1完善第二阶段抗震设计方法

目前，我国房屋建筑采用三水准抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，并采用二阶段设计方法予以实现。第一阶段为按小震进行抗震计算设计，主要解决结构系统的基本安全储备，这部分已经比较成熟。但对第二阶段抗倒塌设计，由于其计算分析难度很大，目前我国抗震规范只对重要建筑有比较具体的计算规定，对一般建筑主要是通过采用合理的抗震措施和抗震构造措施实现“大震不倒”。尽管这些措施对设计人员实现“大震不倒”有重要的提示作用，但因许多措施可操作性差，不如直接进行第二阶段抗倒塌设计能更有效地保证实现“大震不倒”的目标。为此，需要完善一般建筑的抗地震倒塌设计的简化实用计算方法。

对于框架结构，日本采用“具有延性的整体结构屈服机制”（即所谓的“强柱弱梁”），而中国、美国等国规范采用基于柱梁受弯承载力比条件来控制实现“强柱弱梁”屈服机制，其不同之处在于，日本是直接要求按整体结构“强柱弱梁”屈服机制进行分析，这更有利于从整体结构系统层面来保证“强柱弱梁”机制的实现。根据前述讨论的结构系统抗震设计概念，按整体结构屈服机制进行分析，有利于设计人员更清楚地掌握整体结构的破坏模式和倒塌机制，进而明确整个结构系统中不同结构构件的重要性层次以及相应的承载能力和变形能力需求，并且根据需要，可设定不易倒塌区域（如楼梯和卫生间），保证建筑物内人员能及时逃离，或为无法及时逃出的人员提供局部落实避难空间，等待外部人员的救援等。

3.2重视结构体系与选型

合理的结构形式和抗震体系是保证建筑整体抗震安全的首要因素。汶川地震中，结构形式不合理、结构布置不规则，未有效设置圈梁和构造柱的砌体结构破坏严重，特别是单跨、纵墙承重、外挑走廊的教学楼。这类建筑结构体系的抗震能力先天不足，而且没有采取基本的抗震构造措施（未设置圈梁、构造柱，楼板没有拉结）和粗糙的施工质量，以至于酿成如此严重的后果。根据系统科学方法的思想，结构的整体抗震能力，首先取决于结构系统的设计，即结构抗震体系的问题，其次是抗震构造措施，最后才是具体的抗震计算的问题。然而，在工程实践中，由于结构抗震体系和结构形式很多，无法简单的用规范条文做出规定，同时我国在建筑结构体系的工程教育方面长期存在“重构件、轻结构”的问题，使得结构工程师往往不能从整体结构系统层面来理解和应用规范，甚至受各种干扰的影响，尽量用足规范各项规定的下限，导致整体结构系统的意外安全储备不足。为此，有必要深刻总结地震震害经验，吸取震害教训，强化抗震规范中关于结构体系与选型方面的指导性条文，逐渐改变目前基于构件设计的规范体系，建立立足于结构系统整体性的思想和规范体系。这可使得结构工程师首先从结构整体角度把握整个结构的安全性，特别是抵御意外灾害的安全性，只有在这个前提下，运用规范进行结构构件设计才是可行的。

在管理体制方面，调整并健全专业规范与相关法律法规之间的关系，突出规范的专业性与权威性，弱化其法规性，并明确按规范设计不能免除设计者的法律责任，即应明确工程设计人完全承担工程结构安全的责任，这有助于工程师能更主动灵活应用规范，而不是死扣规范。同时，为避免建筑师任意采用复杂不规则的建筑造型，给结构抗震设计造成困难，应规定建筑师和工程师共同对整个建筑安全承担责任。需要指出的是，近年来我国建筑设计出现的了追求新奇特的趋势，导致各种复杂结构形式，极不利于整体结构的抗震，也显著降低整体结构的意外安全储备。

3.3重视对结构系统整体性的研究

建立基于结构系统整体性的规范体系，就必须从系统科学方法的角度，重视结构系统的整体性、鲁棒性、稳定性和牢固性的研究。

如前所述，根据系统科学，安全可靠的构件并不一定意味着安全可靠的结构。当构件之间的组织关系不利于结构系统整体性能目标时，结构将表现出易损性，极端的例子便是连续性倒塌，结构局部的破坏迅速扩散并导致与原因不相称的后果。没有圈梁和构造柱的砌体结构恰恰属于这种类型。

根据系统科学，只要构件组织合理，并能够形成有利于增强结构整体性的相互作用，形成有序的受力层次与破坏序列，就可以实现高鲁棒性的结构系统。圈梁、构造柱的重要意义就在于此。它们不仅能显著提高砖墙的承载能力，而且显著增强了结构的整体性，使之由易损性转变为鲁棒性。这种对结构系统抗震能力具有质变的提高，不是通过提高砌体强度和砂浆强度等量变措施可以达到的，充分体现了结构系统整体性研究的必要性。

从结构整体性的角度讲，提高结构抵御地震倒塌能力并不一定要简单的大幅提高结构的承载力安全储备，这会导致大幅增加建设成本。恰恰相反，只要深入研究结构系统，完全可以通过合理的结构系统抗震设计和构造措施，合理利用不同层次结构构件之间的相互作用，增强结构系统的整体性，就可以显著提高结构的抗震性能。

4、结语

本文针对近几年地震频发的实际情况，结合当前建筑的设计现状，提出了影响建筑结构稳定性的因素，为我国建筑抗震能力的提高提出有效解决方案，完善我国建筑的抗震设计。希望通过本文关于建筑结构抗震倒塌设计的研究和分析，不仅可以增强我国建筑的抗震能力，为人们的生命财产安全提供保障。

参考文献

[1]范萍萍，陆新征，叶列平.不同抗震等级RC框架结构抗地震倒塌能力的研究[J].工程力学，2018，35（6）：33-41.

[2]董昆宏.提高建筑结构抗震防倒塌能力设计方法探究[J].建筑工程技术与设计，2016（19）：79-80.

[3]郭涛.提高建筑结构抗震倒塌能力的设计方法与改进措施[J].住宅与房地产，2016（33）：48-49.