1、抗震概念设计及抗震性能化设计朱炳寅中国建筑设计研究院2012.11.30概述两部分内容：抗震概念设计、抗震性能化设计 抗震概念设计部分回答下列问题： 什么是抗震概念设计 为什么要进行抗震概念设计 抗震概念设计应把握的重点问题 如何做好抗震概念设计工作概念设计的内容很广泛，不仅有抗震设计的基本概念，其他设计也有概念，如抗温度设计，抗差异沉降设计等，关键是要有“概念”，要建立概念，有了概念才能谈概念设计。大到整个工程，小到结构构件都有概念设计的问题，如体系问题，采用抗震性能好（什么是好）的结构体系、采用耗能能力强的结构体系、二道防线问题、强柱弱梁、强剪弱弯等问题。第一部分 抗震概念设计地震一个沉重
2、的话题（人类的大灾难）人类时刻都受到地震的威胁1111缅甸发生6.8级地震汶川地震玉树地震死亡人数2064人，比汶川地震损失要小得多，玉树多数都是土木结构房屋抗震性能相当低，经济欠发达，经济损失较汶川少，青海地广人稀，人员伤亡数少。东日本大地震引发海啸并造成和灾难。地震灾害给我们的思考1920年以来主要地震伤亡情况全球十大地震9月4日,国务院新闻办就四川汶川地震及灾害损失评估情况召开新闻发布会。地震专家表示,汶川地震目前共造成69226人死亡、17923人失踪,共计87149人。四川、甘肃、陕西三省的极重灾区和重灾区数量分别是39个、8个和4个,共51个灾区县,总面积达到13万多平方公里。此次
3、汶川地震造成的直接经济损失达8451亿元人民币,其中四川占到总损失的91.3%,甘肃占5.8%,陕西占2.9%。抗震结构工程师永恒的工作任重而道远3.1 抗震设计的三水准问题（P3）3.1.1 抗震设计的“三水准”设防目标及两阶段设计过程的要求 “小震不坏、中震可修、大震不倒”是基本的抗震设防目标。 所有结构的抗震设计（地震作用计算及结构构件的承载力抗震验算），能满足第一水准（即“小震不坏”）要求。 对大多数结构需要通过概念设计和抗震构造措施来满足第二、第三（“中震可修、大震不倒”的设防要求。 对强烈地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构（如特别不规则结构等）及其他有特殊要求的建筑，则更
4、需要抗震概念设计来进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采取相应的抗震构造措施，以实现第二、第三水准的设防要求。图1.0.1-1 结构的耗能3.2 抗震设计主要应包括：概念设计、抗震计算（是对地震作用的定量分析，包括荷载计算、地震作用计算和抗力计算等）和抗震措施（包括抗震构造措施）。3.3 抗震概念设计seismic concept design of buildings3.3.1 什么是抗震概念设计（P14）3.3.1-1 抗震规范第2.1.9条指出抗震概念设计就是：“根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程”。3.3.1-2 抗
5、震概念设计就是要把握好结构抗震设计的关键问题：（1）把地震及其影响的不确定性和规律性结合起来，设计时应着眼于结构的总体反应；（2）依据结构破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则；（3）从一开始就全面合理地把握好结构设计的本质问题（如把握好总体布置、结构体系、承载能力与刚度分布、结构延性等）；（4）顾及关键部位的细节，力求消除结构中的薄弱环节（或对关键部位制定明确的抗震性能目标）；（5）从根本上保证结构的抗震性能。4. 了解地震要做好结构的抗震设计，首先要了解地震（P12）。图4.0-1 19611967年30万次4级以上震中分布图图4.0-2 全球六大板块分布图震源、地震波、场地、地基、建筑
6、物自身的动力特性等。基岩波与地面波，地面波与建筑物的地震反应。震源问题 地震能量地震波的传播问题场地的影响问题建筑物的地震响应避让问题4.1 震源问题（地震的不可预知性、汶川地震照片、意大利7名地震专家因未能准确预报2009.4.6地震而获刑）岩层原始状态 (b）受力后变形 (c) 岩层断裂产生地震图4.1-1 构造地震形成示意图4.1.1 实际地震的不可预知性（P11）4.1.1-1 实际地震的大小是现有科学水平难以准确预估的，虽然在确定烈度区划图时尽量体现了科学性、准确性，但由于可供统计分析的历史地震资料有限，在一定地区发生超过设防烈度的地震是完全由可能的。4.1.1-2 同一建筑场地的地
7、面运动的不确定性，不同性质的地面运动对建筑的破坏作用也不相同。地震动随震源机制、震级大小、震中距和传播途径中土层性质不同等多种因素而变化（P12）。历次地震表明，我国地震区划图所规定的烈度有很大的不确定性，抗震设计还处在摸索阶段，地震理论还有待完善。重视建筑抗震概念设计，是抗震设计应把握的要点。从某种意义上说，也是对地震理论不完善所采取的弥补措施（P12）。4.1.1-3 地震作用效应的复杂性（P12）实际地震的复杂性（实际地震都不是单向作用、或双向作用），实际地震的扭转作用等。地震汶川地震地区都江堰江油北川平通镇漩口绵竹汶川抗震设防烈度7777777实际地震烈度9811101189地震的不确
8、定性4.2 地震波问题纵波与横波，传播特性，地震波的作用（P11、P66、P161）现有地震波记录3s以内，现代数字记录在10s以上也不可靠，缺乏可靠的长周期记录。而地震波是我们进行结构分析的基础。场地对地震波的影响问题，超限高层建筑300m到1000m，弹塑性分析、全球共用一条波，可信吗？可怕吗？放心吗？震中距的远近问题（P28）图4.2-1 El Centro1940 N-S地震记录的加速度、速度和位移时程图4.2-2 1940年El Centro地震记录的加速度反应谱曲线4.3 场地地基问题场地是地震波和结构地震反应的传播媒介（P14），滤波和放大问题及其规律（P30），场地对地震的影响
9、有：场地类别（P127）发震断裂的避让问题（P131），山区场地及边坡问题（P37）、局部突出地形的影响问题（P132、P133），地震地质灾害问题，特殊的地震地质问题（P134及P31）。软弱场地对长周期的滤波和放大问题（P170）。液化地基问题（P146、P147），软弱地基的侧扩及流滑问题（P151）。图6.6 加拉加斯地震中建筑物的破坏率与土层厚度关系新西兰地震引起的地基液化问题4.4 建筑物的地震反应问题4.4.1 建筑抗震设防标准的确定（P9、P25-27）重要性程度、规模等，着眼于地震的破坏和影响程度，分区域划分的原则。4.4.2 结构体系问题（P59）竖向及水平向基本传力途径要
10、求，双重抗侧力体系要求等4.4.3 结构布置问题（P39）结构平面布置的概念问题（P41）（规则与不规则，均匀与不均匀，均匀对称的要求，扭转不规则P46，凹凸不规则，楼板不连续问题，其他平面不规则，平面分缝及其相关问题（P58）。竖向布置的规则性问题（P42）（规则与不规则，均匀与不均匀，均匀对称的要求，侧向刚度不规则（软弱层）、受剪承载力不规则（薄弱层），楼层质量分布不规则，错层、越层等，侧向刚度比计算的问题（P55），竖向不规则给结构的影响将大于平面不规则）。结构抗震设计的根本是“均匀、对称”问题；本质问题是：大震下结构的弹塑性变形问题。4.4.4 结构的计算问题4.4.4-1 计算假定问
11、题 刚性楼板假定的适用性问题（空旷结构、楼板大开洞情况，平面凹凸、越层柱、错层等、刚性楼板假定、弹性楼板假定、总体指标的控制、局部指标的控制等）；4.4.4-2 计算方法问题 地震作用的计算问题（P159）, 各方法的利弊分析：底部剪力法（P176、小塔楼问题P183）、振型分解反应谱法（P165、P170、P177），时程分析法（P65、P161），长周期结构问题（P174、P184）。 双向地震作用计算问题（P179），三向地震作用计算问题（P182）。 超长结构的多点地震输入问题（P165）图3.4.1-1 存在“内耗”的结构布置图3.4.2-2 有利于抗震的结构布置框架-剪力墙结构特征
12、明显剪力墙结构的特征明显图31 框架-剪力墙结构的变形和内力分布规律a)总剪力 b)剪力墙剪力 c）框架剪力框架-剪力墙结构变形曲线和刚度特征值的关系宜采用具有一定耗能能力的连梁，建议连梁的跨高比在2.55之间跨高当无梁楼盖的楼板厚度足够厚（如楼板厚度不小于跨度的1/18且不小于180mm）时，可认为其属于梁板结构（注意：应与施工图审查单位沟通）。当采用现浇空心楼板时，空腔上、下实心混凝土板的最小厚度均不得小于90mm（并应满足防水要求）宜沿梯板平面周边设置暗梁梁顶钢筋不应大于计算值梁底钢筋不应小于计算值应控制梁端正钢筋进入支座的数量，符合强柱弱梁计算中正钢筋截面面积的假定框架梁配筋应上筋不多
13、，下筋不少，总量控制结构抗震设计应重概念、轻精度注意连梁的超筋处理4.4.4-3 计算模型问题 计算模型问题（墙元模型、过度细分的墙元模型（大饼）、杆件模型、巨型柱的杆件有限元模型等）； 剪力墙的规则化处理问题（P82、P315）； 剪力墙与端柱的计算模型与处理问题（P316） 连梁的计算与超筋问题（P319） 半刚接的模型问题与处理（P81、P330） 等代框架与端柱的连接问题（P336） 嵌固端模型的问题（嵌固端的概念P225、地基基础的沉降差问题P58，嵌固端的转角问题及其超高层建筑的P-DATA问题P76，上部结构的嵌固端和地基基础的沉降问题）； 分层加载的模型问题（轴向变形问题P89
14、、混凝土的收缩徐变问题、分层加载模型问题、加载与混凝土龄期的关系问题等）； 温度应力的计算问题（温度应力的计算问题、温度场的建立与后浇带的封带时机问题、均匀温度场的问题、不均匀温度场的问题、徐变收缩对温度应力的影响、对均匀温度应力的折算问题、对温度应力的构造措施等）1. 后浇带应从结构受力较小的位置通过，如梁、板的1/3跨度处，连梁的跨中等部位。2. 温度应力问题是结构设计中的难点问题，应重视概念设计，注意把握结构受温度影响的关键部位（平面的远端、有效楼板宽度较小的部位等）及关键构件（如框架柱、剪力墙等竖向构件），加强结构构造措施。在温度场的确定及温度应力的计算模型选取等方面应注意以下问题：1
15、）温度场的建立温度场与建筑结构所处的温度环境有关，不仅受环境最高温度、最低温度的影响，而且还与温度场建立的温度（形成整体结构的初始温度，如后浇带混凝土强度形成过程中的封带温度等）有关。（1）结构所处环境的最高温度和最低温度，一般应根据工程的温度环境和使用要求确定，当建筑结构的保温隔热措施有效，建筑物室内温度受外部环境影响较小的冬季采暖、夏季全空调的建筑（如商场、酒店等），以房屋使用阶段的室内温差为基数偏安全地取值（比使用阶段的室内最高温适当增加，比使用阶段的室内最低温适当降低）。（2）温度场建立的温度即建筑结构温度场的初始温度，一般应取混凝土形成整体时的温度（如后浇带的封带温度），是一个温度区
16、间的等效温度（即后浇带混凝土在强度形成过程中的等效温度），一般取比结构所处环境的最高温度和最低温度的平均值偏低的温度值（如当最高温度为30C、最低温度为0C时，其平均温度为15，可取温度场建立的温度为10C），荷载规范第9.3.3条规定：“混凝土结构的合拢温度一般可取后浇带封闭时的月平均气温，钢结构的合拢温度一般可取合拢时的日平均温度”，采取有效措施确保混凝土的合拢温度符合预设的温度场建立的温度要求。程序计算时，升温填正值（如升温20C则填+20），降温填负值（如降温10C则填-10），填零则表示无温度变化。2）温度梯度问题温度对建筑结构的影响与结构在温度场中的位置有关，建筑物周边的结构受环境
17、温度的影响较为明显，当环境温度改变时，结构的温度也跟随改变，但改变的幅度不同，在建筑物内部离建筑物周边越远，则结构温度改变的幅度越小，这就是温度梯度问题。3）温度应力的计算模型（1）温度对构件的影响是不均匀的，但现有程序在温度应力的计算过程中，无法考虑温度梯度的影响，假定建筑结构处在一个均匀的温度场中，建筑结构中的所有构件同时处在同样的升温或将温的环境中，这种均匀膨胀或收缩的温度作用模式，比较适合于钢结构（对钢构件，由于其传热性能好，截面较薄，当环境温度变化时，可以认为截面中的温度是均匀变化的），而对实心混凝土结构计算的温度应力偏大。（2）温度应力计算时，应采用弹性楼板模型，否则，在刚性楼板假
18、定下，梁的膨胀或收缩收到平面内“刚性楼板”的约束，柱内不会产生剪力和弯矩，相应地梁内也不会产生弯矩和剪力，仅有轴力作用，计算结果偏小，偏于不安全。结构设计时，应特别注意对平面纵向端部框架柱柱端内力和配筋的检查，注意对平面端部纵向剪力墙的核查。（3）目前，程序按线弹性理论计算结构的温度效应，对于钢筋混凝土，考虑到徐变应力松弛特性的非线性因素，实际的温度应力将小于按弹性计算的结果，实际工程计算中一般取徐变应力松弛系数0.3对计算结果进行折减。但对钢结构可不考虑此项折减。（4）依据荷载规范的规定，温度作用按可变荷载考虑，其组合值系数取0.6，频遇值系数取0.5，准永久值系数取0。对特殊工程可根据工程
19、需要由设计人员设定不同于程序内定的组合方式，并调整分项系数。3. 实际工程中，超长结构的温度应力问题应主要通过采取恰当的构造措施予以解决，建议如下（见高规书）地基基础的大震不倒问题（特殊情况下的地基基础稳定问题P77）4.4.4-4 主要计算参数的取值问题填充墙对结构的影响问题（周期折减问题，不仅仅是刚度问题、还有均匀性问题等P84、填充墙与主体结构的连接问题P98、砌规6.3.4条的弱连接做法）抗扭计算的问题（如扭矩折减的前提P89）楼梯的影响问题（P83、P233、P372、P380、P533），梁刚度的放大问题（P87）结构类型填充墙较多填充墙较少框架结构0.60.70.70.8框架-抗
20、震墙结构0.70.80.80.9框架-核心筒结构0.80.90.91.0抗震墙结构0.81.01.0设置填充墙设置填充墙填充墙平面设置不当，加大结构的扭转效应填充墙竖向布置的不均匀，加大结构的扭转效应框架梁框架柱4.4.5 结构体系的确定问题（倾覆力矩比的计算问题、规范方法P209与轴力方法、计算结果的飘忽问题、楼层最小剪力问题、长周期结构的计算问题、地震速度和位移的影响问题、框架和剪力墙组成的结构的体系问题）4.4.6 强柱弱梁的问题（梁的实际承载力与计算承载力问题P240、梁端顶部计算弯矩与实际弯矩的关系、配筋做法对梁端底部实际弯矩的影响、程序认定的梁端弯矩、梁端裂缝宽度验算的实际问题和影
21、响、楼板配筋的影响、改进建议等）；5. 抗震概念设计与包络设计应把握的重点问题5.1 体系问题是结构设计应把握的头等重要的问题5.1.1 应注意体系的合理性问题，优先采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工的具有多道防线的结构体系（如采用设置耗能连梁的抗震墙结构、框架-抗震墙、框架-筒体结构等。5.1.2 避免采用抗震能力较低的板柱-抗震墙结构、框架结构、尤其是单跨框架结构等）。5.1.3 注意对承载力和刚度及延性的合理把握。5.1.4 采用合理的地基基础方案。5.2 结构布置问题5.2.1 应采用概念清晰、传力路径明确的结构布置。5.2.2 避免造成结构扭转、平面和立面的里出外进、竖向传
22、力构件的间断等其他不规则。5.2.3 注意把握剪力墙的合理间距问题、结构的协同工作问题、上部结构与地基基础的协调变形问题等。5.3 结构抗震设计的关键部位5.3.1 注意把握结构体系的关键部位、结构构件的关键部位。5.3.2 实现“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件及强柱根”的设计理念。6.3.3 注意对加强部位（竖向构件的加强部位、楼面结构的加强部位、地基基础的加强部位等）的把握。6. 如何做好抗震概念设计6.1 抗震概念设计应依托抗震设计的基本理论、清晰的力学概念，应注重对地震灾害的调查及对地震经验的总结，注意发现并改进抗震设计方法，注重抗震设计实效。6.2 抗震概念设计要求结构设计人员，依
23、据在学习和实践中所建立的正确概念，运用正确的思考和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能，并依据对结构特性（如承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理确定结构的总体布置与细部构造。围绕“均匀、对称”做文章。6.2.1 了解有利于抗震的规则平面布置，不利于抗震的不规则平面布置及其可能造成的危害。6.2.2 了解有利于抗震的规则立面布置，不利于抗震的不规则立面布置及其可能造成的危害。6.2.3 对不规则情况采取有针对性的抗震措施，并确保抗震措施的有效性。6.3 应注意把握地震的规律性，尽管地震影响具有不确定性，但震害调查分析表明其也具有一定的规律性：6.3.1 一般情况下，震级大、震中距小
24、时，对较刚性建筑物的破坏大；当震级大、震源深时，对远距离较柔性的建筑物影响大。6.3.2 场地条件（场地类别和覆盖层厚度等）也直接影响结构地震作用效应的大小。6.3.4 由于地震的不确定性和地震作用效应的复杂性以及计算模型与实际情况的差异，抗震设计不能仅依赖计算。概念设计是影响结构抗震性能的最重要因素。6.3.5 地震是对结构抗震设防及设计的最好检验，重视工程经验，重视震害分析，对把握抗震设计的意义重大。6.3.6 结构抗震设计应重概念轻精度，重视建筑和结构的总体布置，完善结构的细部构造。6.3.7 强调抗震概念设计不是拒绝进行复杂结构设计，而是要求在处理复杂结构设计时明确： 什么是结构设计的
25、最佳选择； 采用不合理的结构方案或结构布置可能会带来什么样的后果； 需要采取哪些补救或加强措施，并对这些措施的合理性和有效性作出客观的评价，以保证结构性能目标的实现，确保房屋安全。 抗震概念设计不是指手画脚的空洞说教，而是具有丰富内涵的实实在在的工作。结构设计要抓住每个设计阶段的重点问题：方案阶段，主要是结构体系问题，如：基础形式的确定（要根据勘察报告提供的场地条件确定合理的基础方案）、根据建筑条件和抗震设防要求，确定合理的上部结构的形式、采用框架结构？剪力墙结构？框架-剪力墙结构？框架-筒体结构？筒中筒结构？钢框架结构？钢框架混凝土筒体结构？钢框架支撑结构？钢骨混凝土结构？带转换层结构？带加
26、强层结构？ 楼盖结构：采用现浇或预制楼盖？预应力混凝土楼楼盖？钢屋盖（形式很多，以前的网架、现在钢桁架、实腹刚梁等）？索结构等 方案阶段的结构估算。主要属于概念设计的范畴。初步设计阶段，应对结构方案的优化和验证，证明结构方案的可行性，满足相关规范规程的要求。对结构体系及主要结构构件进行优化。施工图阶段，对所有结构构件的设计与优化，满足规范对构件设计的基本要求（截面和配筋），优化结构设计。做到结构方案合理、计算假定正确、计算模型合理、计算结果合理有效、对结构关键部位的把握准确等。强调概念设计并不是拒绝复杂工程。实际工程中，为实现建筑的平面、立面的变化，常要求结构不得不采用不规则甚至特别不规则的方案，不仅严重影响了结构的抗震性能，也造成了投资（结构费用）的大量增加。此时，结构设计应与建筑专业及业主阐明采用不规则或特别不规则方案所带来的后果，避免日后因工程费用的增加而引起误解高度153.6m的佛山文化综合体 6.3.8 影响结构安全的其他外部因素：外部影响因素很多：如荷载、地震、风、及偶然事件等，也需要结构概念设计，如防连续倒塌概念设计、防倾覆概念设计等。
