结构在地震作用下鲁棒性分析
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摘要：介绍了地震对建筑结构的影响；结构鲁棒性的概念及其对于抗震结构的意义；加强结构鲁棒性几种措施及方法。
关键词：地震波；结构破坏；结构抗震；结构鲁棒性；关键构件；结构整体牢固性；超静定次数；多重抗震防护。
中图分类号：TU352.1+1 文献标识码：A 文章编号：
1.地震对建筑结构的影响
地震（earthquake）又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。根据震级、震源深度、距震源的远近、地面状况和地层构造等因素将地震分为不同的烈度。震级越大震源越浅、烈度也越大。地震时，最基本的现象是地面的连续振动，主要特征是明显的晃动，因此地震造成的灾害首先是破坏房屋和建筑物。地震力对建筑结构的破坏主要是由于地震波引起地面强烈的震动，从而造成地面的建筑结构的崩塌。地震以纵波、横波及面波传播，在地壳中，纵波的传播速度约为每秒6千米，是一种推进波，它是这三种形式中最先到达震中的波形，会引起地面的上下震动，但是破坏性不强。横波是剪切波，在地壳中的传播速度约为每秒4千米，是三种地震波中第二个到达震中的，会引起地面前后、左右摆动，破坏性相对于纵波而言较强。面波是一种混合波，综合了纵波与横波的形式，在地壳中的传播速度约为每秒3千米，具有较大的波长和振幅，是造成建筑结构破坏的主要原因。
建筑物本身是具有一定刚度的，能抵抗外力作用引起的各种变形。但当其遇到地震力时，抵抗变形的能力就会大大减弱。地震力对建筑结构造成破坏的工作机理是：地震波引起
地面震动，震动传给建筑物，然后引起房屋建筑物的振动。建筑结构的设计中，力学一般考虑静力作用，很少考虑动力作用的影响，当建筑结构遭遇地震力时，由于地震力属于动力作用，未考虑或者很少考虑于结构的力学作用中，因此建筑结构变得不堪一击。
地震导致的结构破坏主要有：承重墙交叉斜裂缝；楼梯塔楼、烟囱顶部折断或倒塌；建筑物顶层塌落；建筑物底层完全破坏；底层框架柱破坏；柱子出现较；剪力墙连梁出现交叉斜裂缝破坏；框架柱边柱混凝土破坏；楼梯水平断裂和梯梁断裂；框架结构填充墙上不斜砖位置框架柱破坏；底层有门面房的建筑出现扭转破坏等等。
2.鲁棒性的定义
结构的鲁棒性(Robustness)是以避免结构垮塌为目标的整体结构安全性。目前常说的安全性是以结构构件不超过最大承载力为目的，即所谓的“承载力极限状态”来考虑的。
由于目前各种结构设计规范对于结构安全性的具体计算，最终都是着落于具体的结构构件，这显然没有能够使得结构工程师更多地考虑整体结构的安全性，这是导致某些工程结构鲁棒性不够的重要原因，也是目前我国工程教育中所存在的一个重要缺失。
因此,研究结构的鲁棒性,首先要从整体结构的安全性着手,使得结构工程师在满足每个具体构件安全性要求的前提下，更多地关注整体结构的安全性。
3.鲁棒性对结构抗震的意义
由于地震具有极大的随机性，建筑结构遭遇超过抗震设防的罕遇地震的可能性仍然存在，同时在结构抗震方面，人们的认知尚不充分，因此，在遭遇规范规定的“大震”或者超过规范规定的罕遇地震时，结构要想经受住地震力而不倾倒，则必须具备较高的鲁棒性。换而言之，鲁棒性是维持建筑结构在地震时保持完整性的重要保障。
结构中任一个构件的破坏即认为是结构破坏，符合这种破坏定义的结构，其鲁棒性小，即整体结构的鲁棒性取决于结构中(首先破坏的)关键构件的鲁棒性，要提高这类结构的鲁棒性,必需提高关键构件的鲁棒性，或增加关键构件的安全储备。
对于超静定结构，一个构件达到最大承载力，并不意味着整体结构达到最大承载力。如果先破坏的构件具有足够的延性，则整体结构的承载力在第一个构件破坏后仍然可以继续增加，但整体结构的刚度会有所降低，直至结构中有足够多的构件达到破坏，结构才达到最大承载力。这意味着在达到结构最大承载力以前，那些达到承载力构件的延性对结构的鲁棒性具有重要意义。
4.结构系统提高鲁棒性的方法
4.1加强对结构中关键构件的研究
在整体结构中，次要构件的破坏一般不会导致整个结构的破坏，而关键构件的破坏容易引起结构的大范围破坏，因此，在按照规范设计好各构件后，要加强对结构中关键构件的研究，从而降低地震作用下结构整体倾塌的概率。
同时，正确区分结构在地震作用下的关键构件、一般构件及次要构件是保证结构抗震设计具有足够鲁棒性的前提。根据鲁棒性原理，要适当增加关键构件的安全度，如分体柱、钢骨混凝土柱、钢骨混凝土剪力墙(筒体) 和钢管混凝土叠合柱等的采用。增加关键构件安全度主要目的是为了减小所有构件都按照一般构件根据规范设计所带来的不安全性。
4.2增加关键构件的超静定次数
超静定次数与结构的鲁棒息相关，超静定次数越多，结构的鲁棒性就越好。由于次要构件对结构的整体稳定性影响不大，因此在设计时我们要尽量将关键构件设计成超静定构件，从而增加结构的鲁棒性。相应措施如将框架结构中的铰接变换为刚接，增加系统的超静定次数，从而加强系统的鲁棒性；又如增加系统的多余构件，一个多余构件相当于一次超静定，因此此方法同样可以增加系统超静定次数，加强系统鲁棒性。
4.3加强结构的整体性和牢固性
鲁棒性本就为整体的安全性，因此，加强结构的整体性对提高鲁棒性有重要的意义。在实际工程中可以使用圈梁将墙体连接成为整体，使用构造柱使整个空间体系成为整体。在牢固性方面，可以将构件之间的铰接转换为刚接，使用现浇混凝土代替预制混凝土,对于装配构件，加强构件之间的连接，并加强施工管理，从而提高系统的整体性。
4.4设置多重抗震防线
结构鲁棒性大的一个重要特征是,当结构中某一构件或结构部分因损伤或破坏而退出工作或部分退出工作后,其原来承担的荷载和地震作用能够由剩余结构有效承担,即结构具有多个有效的备选传力途径。多重抗震结构体系就是具有两个以上的整体型关键构件的结构体系,当其中的一个整体型关键构件在罕遇地震下遭受一定程度的破坏,第二个整体型关键构件依然可以使整个结构具备一定的抗震能力。束筒结构、筒中筒结构、框架剪力墙(筒体)结构等都是具有多重抗震体系的结构。
一次地震持续时间少则几秒,多则十几秒甚至更长。这样长时间的震动,一个接一个的强脉冲对建筑物产生多次往复式冲击,造成累积式破坏。如果建筑物采用的是单结构体系,仅有一道抗震防线,一旦破坏后接踵而来的持续地震就会使建筑倒塌，而设了多重抗震体系的建筑物,在第一道防线的抗侧力体系遭破坏后,后备的第二道、第三道防线立即接替,抵挡后续的地震冲击,特别是对于因“共振”而引起的破坏,在第一道防线失效后,结构转入第二道、第三道防线工作,此时随着第一道防线破坏塑性铰出现,结构基本周期已生变化,从而错开了地震动卓越周期,建筑物免遭进一步破坏。这种抗震设计概念是对付高度地震的一种经济有效的办法，也是提高结构体系鲁棒性的有效方法。
5.结束语
在罕遇地震作用下，鲁棒性对于结构稳固性具有重要的意义。因此在实际工程中要求尽可能增加结构鲁棒性，具体措施有明确系统中关键构件，增加关键构件的超静定次数，加强结构的整体性与牢固性，设置多重抗震防线，形成多重抗震结构体系等。希望鲁棒性在结构体系中的应用可以减少更多地震引起的建筑物倾塌灾害，造福人民。
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