未来抗震设计发展趋势之我见.doc

未来抗震发展趋势之我见作者：张子北发布：2015.05.29【摘要】随着我国城镇化道路的逐步实现，在可预见的未来，最大限度地预防和减小地震灾害所引发的损失，必将是我国未来几年最急迫的课题。因此，适合本国国情的新的地震预防和抗震设计理念，以及新兴的抗震材料应用也变得越来越急迫！本文通过比较传统的抗震方法和新兴的设防理念，介绍了新理论的优越性以及未来在我国的应用发展趋势。【关键字】地震 抗震 传统结构 发展趋势【正文】一、引言随着21世纪的到来，国家制定了未来几年的城镇化规划，随着人口密度的增加，伴之而来的由自然灾害而带来的损失也越大。为应对频发的自然灾害，有效提高建筑安全等级则成为了一个必须面对且更需有效解决的现实问题，这关乎生命，关乎未来，关乎国家的可持续发展。而在所有危害建筑的自然灾害当中，地震危害首当其冲。在人口密集区的一次大型地震，不仅给该地区带来了极其巨大的经济损失，也带给本地区人民无以平复的生命灾难的创伤！地震灾害具有突发性强、破坏性大和比较难预测的特点。目前，地震的监测预报还是个世界性的难题。而且即使做到震前预报，如果建筑及其设施的抗震性能薄弱，也难以避免经济损失。因此，有效的抗震设防是建筑防震减灾的关键性任务。随着城镇化道路步伐的加快，未来抗震研究与发展则变得越来越重要，也变得极具挑战性，就此，分析未来抗震技术的发展也变得不可或缺。二、地震的机理及破坏力地震，俗称地动，其本质为一种自然现象。触发此种自然现象的原因极多，如：地层受到挤压而断裂错动，局部岩层的坍塌，火山喷发等。各种原因引起的震动以波的形式向上传递至地表时引起地面的运动，形成地震。震中距越小，破坏力越强。其中，以构造型地震的破坏性为最大，影响面为最广。而火山地震和陷落地震则因为成因的不同，影响较小，破坏性也较小。类型成因影响构造地震地球的运动和发展过程中，内部的能量（例如地幔对流、转速的变化等）使得底壳与地幔上部的岩层产生很大的应力，日积月累，当地应力超过某处岩层强度时，岩层破坏断裂错动引起地面震动。如：美国旧金山圣安德烈斯断裂断层上1906年突然发生错动，在435km长的一段地表上，水平错距最大达6.4m。破坏性大，影响面广。火山地震火山爆发引起地面震动。影响和破坏性较小陷落地震地表或地下岩突然大规模陷落和崩塌，如石灰石地区地下大溶洞的坍塌和古矿坑的塌陷而引起的地面震动。影响和破坏性较小由上所述我们可以看出，加强针对构造型地震的设防研究则是我们的首要课题。三、 传统抗震设计方法、结构体系及其缺点破坏性地震引起的人员伤亡和经济损失，主要是由于地震时产生的巨大能量使得建筑物、工程设施发生的破坏和倒塌，以及伴随的次生灾害造成的。要想最大限度地减轻地震灾害，工程建设时必须进行科学合理的抗震设防，这是人类减轻地震灾害对策中最积极和最有效的措施。随着人们对地震动特性和结构动力特性理解的不断加深，人们认识到，地震使地面上的静止建筑产生强迫振动，通过分析建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式，构建了传统的建筑物抗震方法与基本原则。其中包括：1、 总体屈服机制，例如强柱弱梁；2、 刚度与延性均衡。砌体结构中为提高延性，设构造柱与圈梁，形成柔性框架；3、 强度均衡，结构在平面和立面上的承载力均匀。4、 多普抗震防线。5、 强节点设计，避开场地卓越周期区。但是，传统抗震结构主要利用了主体结构屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量，这使得这些区域的耗能性能变得特别重要，而一旦由于某种因素导致这些区域产生问题，将严重影响到结构的抗震性能，产生严重破坏， 由于破坏结构位于主要结构构件，其修复是很难进行的。传统抗震结构以防止结构倒塌为目标，其抗震性能在很大程度上依赖于结构（构件）的延性，以往的许多研究也注重于提高结构（构件）的延性，却忽略了对损伤程度的控制。传统结构基本为框架结构、剪力墙结构以及框架_剪力墙结构，下面就此三种墙体结构的缺点一一分析：框架结构：就目前来看许多专家推荐强柱弱梁体系为最合理的框架体系。该体系将地震输入能量反三道建筑结构的许多部分消耗掉，控制塑性铰出现的部位，但这些预期的塑性铰区在中等地震中也会产生，延性也同时应该被看做是一种破坏。后期修复费用很高。剪力墙结构：该结构具有抗侧刚度大，在水平地震作用下侧移小，其总水平地震作用也大等特点，常见的震害一般来说为墙面的斜向裂缝或者底部楼层的水平施工缝发生水平错动。底部屈服时，剪力墙的侧抗作用减小，剪力墙耗能基本集中在底部塑性铰区域，上部墙堆防御强震无显著作用。又因剪力墙要承担一定的竖向荷载，因此底部的破坏也十分难以修复。框架_剪力墙结构：此结构具有多道抗震防线。在由框架和墙体组成的结构中，框架刚度小，承担的地震作用小，弹性极限变形值和延性较小。整个结构在地震作用下，墙体很快超过自身弹性形变极限，出现裂缝，水平承载力下降，此时，框架尚未发挥自身的水平抗力。墙体开裂后，框架承担的地震里增大，同时由于结构刚度的变化，地震作用效应也发生变化。但无论是框架还是剪力墙，都是主题结构的一部分，损伤损坏后的修复工作都比较困难，而且花费也不菲。因此，在未来，提出新的抗震设计方法与发展新型抗震建筑材料，是必然的也是必须的趋势所在。四、 新兴的抗震设计方法抗震设计方法是基于各种状态的抗震设计理论的主要内容之一，而基于性态的抗震设计理论，对我们所要研究的未来发展趋势的高层建筑最具有意义。基于性态的抗震设计方法主要包括：基于位移的设计方法、综合设计法、能力设计法、基于可靠度的分析法等。综合设计法 (Comprehensive Design Approach)综合设计法是由美国学者Bertero等人提出来的，并被加州结构工程师协会(SEAOC) VISION 2000委员会采纳。该方法首先确定业主所能接受的最低性态目标，在对场地的适宜性作出评价后，进行总体概念设计和综合数值设计，最终确定结构和非结构构件的尺寸。基于位移的抗震设计方法 (DBSD) 基于位移的抗震设计方法（Displacement-based seismic design）是指用量化的位移设计指标来控制建筑物的抗震性能。该方法是由美国加州大学伯克利分校提出的，最早应用于桥梁的抗震设计中。Mohele是最早将其用于建筑结构设计的学者，他的主要观点是在抗震设计时进行定量分析，使结构的塑性变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求，即控制结构在大震作用下的层间位移角限值。该设计方法的核心思想是从总体上控制结构的位移和层间位移角。 与传统的基于承载力或强度的抗震设计方法相比，基于位移的抗震设计方法是一种全新概念的抗震设计法。其基本思想是，首先确定结构的目标位移，再根据目标位移进行数值迭代，反求结构的屈服位移，如此反复进行，直到满足给定的精度。也就是说，传统方法的设计顺序是承载力后位移，设计变量是构件的强度和刚度；而基于位移的抗震设计方法的设计顺序则是位移后承载力，构件的强度、刚度及配筋等只是设计的最终结果。基于位移的抗震设计方法能够从总体上控制结构的位移和层间位移角等反应量，有利于基于性态的抗震设计方法的实现，因此，基于位移的抗震设计是实现基于性态的抗震设计的重要环节。能力设计法 (Capability design method) 能力设计法也是由美国学者Priestley提出的，主要面向桥梁结构。它是一种介于传统设计法和基于位移的设计法之间的一种抗震设计方法，其基本思想是在非延性破坏模式和设计延性破坏模式之间，确保一个合适的强度界限，强调的是延性设计的概念。基于性态的可靠度设计发美国学者文义归等人提出把可靠度与基于性态的设计相结合的设计方法，引入基于push-over分析的等效单自由度方法，提出了“一致危险性反应谱”的概念，把结构的两种概率极限状态（使用极限状态和最终极限状态）转化为相应的基于位移的确定性极限状态，并提出了二阶段可靠度的设计方法。我国哈尔滨工业大学欧进萍等在随机反应谱的基础上，提出了“概率push-over分析”方法，并采用该法快速评估结构体系抗震性能可靠度。五、 未来抗震设防概念及新兴材料应用的发展趋势在未来，人们通过对地震的不断深入认识，新的抗震方式理念和新兴材料也愈发增多，以此，未来建筑中的抗震准则也愈发严谨和高效。多级设防所谓多级设防，即习惯所称的多级设计原则。多级设防的思想是在核电站抗震设计中首先提出的。由于核电站的破坏造成的影响极大，凡是与核扩散危险有关的核电站结构物，都要求不出现非弹性形变，或只出现轻微的非弹性形变。在抗震设计中采用了安全运行地震和安全停堆地震的二级设计地震动。前者能保证核电站在一般情况下不停止生产，后者防止在极特殊的情况下不产生核扩散事故。这种多级设防准则后来逐步在近海平台、高压储液设备和生命线等重大工程中所采用。美国农垦局对大坝分析规定了安全运行地震动、设计依据地震动和最大可信地震动的三级发生概率不同的地震动，要求大坝在这些地震作用下分别达到安全运转、地震后安全运转、不倒溃的三级要求。1977武藤清提出的超高层动力设计法，要求对房屋进行三级地震设计，第一级为小震，要求结构处于弹性阶段；第二级为中震，结构可以有轻微损坏，但要求强度与变形均在允许值以下；第三级为大震，结构处于强非线性，只要求结构不倒塌。在未来，采用多级设防准则的国家将会愈发增多，随着更多地区建筑的多级设防准则的普及，必将会大大减少经济损失与人员伤亡。地震区划中的基本强度与地震参数区划的双轨制各国抗震规范都依据地震危险程度的不同，对本国国土进行地震分区，以作抗震设防的依据。有按烈度区划分的以及地震动参数区划的。根据相关文件显示，可见从1984年到今，以地震动区划的越来越多于烈度区划的，说明以地震动区划成为了今后发展的方向。其原因在于：烈度是用多种指标度量地震灾害、从而反映地震宏观影响大小的综合尺度，将它转换成抗震设计的地震动参数比较复杂，统计离散程度也很大。可以认为地震动区划参数法是从烈度区划向地震动区划的大趋势，但许多国家或地区缺乏强震观测材料，如何借用他国、他地区的地震动资料来补充本国、本地区的地震动参数，仍是值得研究的问题。因此，可以预见，烈度区划和地震动区划的双轨制还会存在一段时期，在地震动参数区划中，地震动区划参数法和地震动区划等值线法也会并存很长一段时间。完善地震规范中的场地分类在抗震设防中，为处理场地条件的影响，各国规范中均将场地划分为几种类型。随着场地对地震反应的影响问题的深入研究，各国抗震规范大多将场地土划分成三四种类型，并由依据宏观描述简单的分类，发展到用厚度、波速、相对密度、强度、抗变形能力等多项物理指标分类。同时，规范有先采用多指标对场地土进行初步分类，而后在考虑分层及厚度的情况进行场地分类划分的发展趋势。对砂土液化问题等地基失效现象，在抗震规范中也出现规定判断指标和防御措施的发展趋势。我国抗震规范在场地土分类、地基抗震措施方面都很具特色，反映我国地震工程学家在这方面进行了大量的现场考察与理论研究工作并力图将已有成果反映在抗震规范中。规范地震设防系数 结构系数主要是用来考虑结构的塑性耗能能力的地震力折减系数，而建筑的重要性类型是按其受地震破坏时产生的经济、政治、社会影响的后