建筑抗震设计思想

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【摘要】我国现行《建筑抗震设计规范》仍以“三个水准”为抗震设防目标。即通常所说的“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

【关键词】多遇地震；设防地震；罕遇地震；基本烈度

当结构工程师设计一般的结构时，往往要求结构在规定荷载作用下处于或基本处于弹性工作阶段，结构设计要有足够的强度，保证安全，又要有足够的刚度，保证结构的变形在使用许可范围之内。例如，我们设计楼板或梁时，在竖向恒载及活载作用下，除了必须满足强度要求外，其挠度变形也必须控制在许可范围之内，从而使之在使用功能上和外观上均能满足要求。又如，在设计高耸结构时，设计者将会考虑在大风作用下结构依然保持弹性状态。总之，结构抵御一般的荷载作用时，设计者必须遵循的基本原则是使结构在预期荷载作用下保持在或基本保持在弹性工作状态，结构内力的分析与设计一般采用弹性分析方法。在实际工程中，按照这样原则设计出来的结构，如果没有遇到特别的情况，在预期的荷载作用下，极少出现严重破坏、过度变形等不正常状态。

而地震作用则不同，由于地震本身的随机性很强，在某一地区，在某一基准期内，可能出现的最大地震动是一个随机变量，事先无法预知。相对于上述荷载，地震动的影响次数少，作用时间短，各次地震的强度差异很大。若要求在各种强度地震动下，结构仍然保持弹性状态是很不经济的，甚至是不可能的。因此，结构的抗震设计与结构抵御其他荷载作用的设计是不同的，对于结构工程师而言，在进行工程抗震设计时，必须要清楚地震作用有别于其他荷载的特殊情况，进而准确理解与把握符合这一特殊情况的结构设计基本原则，即结构抗震设计思想。

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第1.0.1条规定：“为贯彻执行国家有关建筑工程、防震减灾的法律法规并实行以预防为主的方针，使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，制定本规范。按本规范进行抗震设计的建筑，其基本的抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏”。作为抗震设计规范的第一条规定，其目的是为了明确建筑抗震设防的政策、方针及基本目的，同时，给出了现阶段抗震设计的基本思想，即抗震设防目标问题。我国现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010仍以“三个水准”为抗震设防目标。即通常所说的“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

我国现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010对抗震设防标准作了如下一些规定：

（1）在遭受本地区规定的基本烈度地震影响时，建筑（包括结构和非结构部分）可能有损坏，但不致危及人民生命和生产设备的安全，不需修理或稍加修理即可恢复使用；

（2）在遭受较常遇到的、低于本地区规定的基本烈度的地震影响时，建筑不损坏；

（3）在遭受预估的、高于基本烈度的地震影响时，建筑不致倒塌或发生危及人民生命财产的严重破坏。

上述三点规定可概述为“小震不坏、中震可修、大震不倒”这样一句话。

按照上述抗震设防思想，从结构受力角度看，当建筑遭遇第一水准烈度地震（小震）时，结构应处于弹性工作状态，可以采用弹性体系动力理论进行结构和地震反应分析，满足强度要求，构件应力完全与按弹性反应谱理论分析的计算结果相一致；当建筑遭遇第二水准烈度地震（中震）时，结构越过屈服极限，进入非弹性变形阶段，但结构的弹塑性变形被控制在某一限度内，震后残留的永久变形不大；当建筑遭遇第三水准烈度地震（大震）时，建筑物虽然破坏比较严重，但整个结构的非弹性变形仍受到控制，与结构倒塌的临界变形尚有一段距离，从而保障了建筑内部人员的安全。如图1所示为三水准下钢筋混凝土框架结构的破坏程度与层间位移角的大致对应关系。

建筑抗震设计规范的三个水准设防目标是通过“两阶段设计”来实现，其方法和步骤是：

第一阶段设计：第一步采用第一水准烈度的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力等荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件截面设计，从而满足第一水准的强度要求；第二步是采用同一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角，使其不超过规定的限值，同时采取相应的抗震构造措施，保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能，从而自动满足第二水准的变形要求。

第二阶段设计：采用第三水准烈度的地震动参数，计算出结构（特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节）的弹塑性层间位移角，使之小于《抗震规范》限值，并结合采取必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。

根据《工程抗震术语标准》的规定，所谓基本烈度是指在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为10%的地震烈度值，相当于474年一遇的烈度值，所谓多遇地震烈度，是指在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为63%的地震烈度值，相当于50年一遇的地震烈度值，所谓罕遇地震烈度是指在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为2%～3%的地震烈度值，相当于1600～2500年一遇的地震烈度值。

由于我国的地震烈度区划图或地震动参数区划图只给出了基本烈度或基本设计地震加速度，因此，为了贯彻上述三水准设防思想，首要问题是如何确定“小震”和“大震”，即多遇地震和罕遇地震的界定问题，找出它们与基本烈度地震之间的关系。研究结果表明：多遇地震烈度可取为50年超越概率为63.2%的众值烈度，其大小比基本烈度约低1.55度；而50年超越概率为2%～3%的罕遇地震烈度约比基本烈度高1度左右（图2）。