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建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力??汶川地震建筑震害的教訓

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力??汶川地震建筑震害的教訓
    葉列平，曲哲，陸新征，馮鵬
    清華大學土木工程系，北京 100084

    摘 要：工程結(jié)構(gòu)的抗震能力是社會抗震防災系統(tǒng)的第一道防線。建筑物的倒塌是震害的根源，建筑物在地震中的破壞程度，大體決定了震害的嚴重程度。因此，建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，特別是抗倒塌能力，對于社會整體抗震防災非常重要。本文結(jié)合汶川地震中建筑震害的教訓，運用系統(tǒng)科學的思想分析了提高建筑結(jié)構(gòu)整體抗震能力的途徑，重點針對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，提出了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應注意的問題和改
    進建議。
    關(guān)鍵詞：汶川地震；建筑震害；結(jié)構(gòu)抗震體系；抗倒塌設(shè)計；魯棒性；整體穩(wěn)定性；整體牢固性

    在城市抗震防災系統(tǒng)的等級序列中，建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的抗震能力是抗震防災的第一道防線。房屋建筑的倒塌與破壞是造成巨大災難的根源，正如美國科羅拉多大學的一位專家曾經(jīng)說過，“造成傷亡的是建筑物，而不是地震”。本文根據(jù)汶川地震中的典型建筑震害分析，用系統(tǒng)科學的思想分析了提高建筑結(jié)構(gòu)整體抗震能力的途徑，重點針對建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，提出了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應注意的問題和改進建
    議。
    　　1 汶川地震中建筑震害的基本特點
    　　汶川地震建筑震害表明，隨著我國房屋建筑抗震安全儲備與設(shè)計水平的提高（從74 抗震規(guī)范到89 抗震規(guī)范再到01 抗震規(guī)范），從80 年代到90 年代再到21 世紀后，按照最新抗震標準設(shè)計建造的建筑物，其震害有明顯減輕的趨勢。符合89 和01 抗震規(guī)范的建筑，基本沒有嚴重損壞或倒塌。對于體量不大、體型比較規(guī)則的，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架、磚混結(jié)構(gòu)等成熟結(jié)構(gòu)體系的建筑物，當按89 和01 抗震規(guī)范進
    行設(shè)計，并保證施工質(zhì)量時，總體上能夠達到預期的抗震性能目標。這意味著良好的抗震設(shè)計和施工質(zhì)量，完全能夠有效的減少因建筑物震害產(chǎn)生的損失，特別是能夠大量減少人員傷亡。
    　　相反，89 抗震規(guī)范以前的建筑震害明顯較重，特別是大量為采取抗震措施的磚混結(jié)構(gòu)，在這次地震中震害十分嚴重。另一方面，村鎮(zhèn)建筑和農(nóng)民自建住宅，由于缺乏必要的抗震知識和必要的技術(shù)指導，加之年久失修，震害也比較嚴重。圖1 和圖2 分別為安縣秀水鎮(zhèn)新舊兩個街區(qū)的整體震害情況。

    　　2 汶川地震中主要結(jié)構(gòu)形式的震害
    　　本文主要討論建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，以下首先介紹汶川地震中主體結(jié)構(gòu)損壞、嚴重破壞和倒塌的典型建筑震害。
    　　2.1 磚混結(jié)構(gòu)
    　　四川地震區(qū)磚混結(jié)構(gòu)的數(shù)量很多，震害也非常嚴重。村鎮(zhèn)的住宅、教學樓，城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠房大多采用這種結(jié)構(gòu)。在汶川地震中，大量磚混結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌，甚至是粉碎性倒塌，造成了慘重的人員損失。圖3 為磚混結(jié)構(gòu)的典型震害。

    　　對一些倒塌的磚混結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，倒塌的主要原因可以歸結(jié)為兩點，一是結(jié)構(gòu)形式不合理，如教學樓大多采用縱墻承重、大開間、大開窗、外挑走廊；二是抗震構(gòu)造措施嚴重不足，如預制樓板無拉結(jié)、無后澆疊合層，特別無構(gòu)造柱，甚至沒有圈梁。具有這兩個特點的砌體結(jié)構(gòu)大多在設(shè)防烈度地震下發(fā)生整體性倒塌，甚至是粉碎性倒塌，許多磚混教學樓的整體倒塌更成為震后社會各界關(guān)注的焦點，造成了嚴重
    的社會影響（圖4）。

    　　然而震害調(diào)查中同時發(fā)現(xiàn)，一些按規(guī)范認真設(shè)計、結(jié)構(gòu)形式和抗震構(gòu)造措施合理的磚混結(jié)構(gòu)房屋，抗震性能滿足設(shè)防要求，見圖5。事實上，1976 年唐山地震以及上世紀末我國西部地區(qū)的多次地震震害都表明[1][2][3]，磚混結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁、構(gòu)造柱對于結(jié)構(gòu)在地震中保持整體性，避免發(fā)生整體倒塌具有非常重要的作用，特別是構(gòu)造柱的作用尤為重要。只要構(gòu)造措施得當，磚混結(jié)構(gòu)完全可以實現(xiàn)預期的抗震設(shè)防目標。這次地震卻重蹈了唐山地震慘烈震害的覆轍，很多是在結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計方面存在問題，具體原因?qū)⒃谙挛脑敿氂懻摗?br />

    　　2.2 框架－砌體混合結(jié)構(gòu)
    　　這類混合結(jié)構(gòu)大致可以分為豎向混合（如底部框架－上部磚混的結(jié)構(gòu)）和水平混合（部分框架－部分磚混的結(jié)構(gòu)）兩類。它們表現(xiàn)出各自不同的典型震害。
    　　豎向混合的框架-砌體混合結(jié)構(gòu)多為底部軟弱層破壞。在底框磚混建筑中，底層框架結(jié)構(gòu)的剛度遠小于上部結(jié)構(gòu)，地震作用下底層框架變形集中，損傷嚴重，成為整個結(jié)構(gòu)的軟弱樓層，使結(jié)構(gòu)發(fā)生局部型的破壞，甚至倒塌，而結(jié)構(gòu)的其它部分則沒能發(fā)揮其抗震能力。圖6 為幾個典型的底部軟弱層破壞震害。

    　　對于框架-砌體水平混合結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)體系混亂，在地震作用下框架和砌體承重墻抗側(cè)力構(gòu)件的剛度和變形能力不協(xié)調(diào)，框架部分與砌體結(jié)構(gòu)部分受力復雜，極易導致嚴重破壞。圖7 為框架－砌體水平混合結(jié)構(gòu)的震害情況?？蚣?砌體水平混合結(jié)構(gòu)的大量存在，不僅僅是這次地震受影響區(qū)域的局部問題，而是在我國西部地區(qū)具有一定的代表性，近年來西部地區(qū)的幾次地震都反映出類似的問題，應該引起重視[4]。

    　　2.3 框架結(jié)構(gòu)
    　　本次地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)震害一般較輕，盡管如此，震害調(diào)查顯示，框架結(jié)構(gòu)的柱端出鉸、柱端剪切破壞、節(jié)點區(qū)破壞等現(xiàn)象比較常見，見圖8。這些震害表明，現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范[5]中要求柱鉸機制機制的破壞模式?jīng)]有實現(xiàn)，“強柱弱梁、強剪弱彎、強結(jié)點弱構(gòu)件”等設(shè)計理念沒有實現(xiàn)。在強柱弱梁方面，由于框架梁跨度過大使得其截面尺寸增大、樓板對框架梁的剛度和承載力貢獻、建筑需要在框架
    梁的砌體或填充墻的剛度增強作用，規(guī)范對框架柱的軸壓比限值過高使得框架柱的截面尺寸偏小等，使得框架梁或屋蓋的實際剛度增大，在實際框架結(jié)構(gòu)震害中，很少看到“強柱弱梁”型破壞。

    　　在強剪弱彎方面，即使柱端首先發(fā)生彎曲破壞而形成塑性鉸，巨大的軸壓容易使混凝土壓潰而發(fā)生剝離脫落，從而嚴重削弱柱端的抗剪能力，而柱端出鉸并不會減小柱端受到的地震剪力，因而很容易引起剪切破壞。由此可見，需要考慮壓彎破壞對柱端抗剪承載力降低的影響，提出切實可行實用的配筋構(gòu)造技術(shù)，如連續(xù)箍筋技術(shù)，防止柱端混凝土強度嚴重退化，充分保證“強剪弱彎”。
    　　另外，框架結(jié)構(gòu)的圍護結(jié)構(gòu)和填充墻發(fā)生明顯的震害，見圖9。這雖然不屬于主體結(jié)構(gòu)的破壞，但仍然會對人員安全造成威脅，同時也造成很大的財產(chǎn)損失，使災后修復與重建成本大大增加，尤其是對住戶的心理造成嚴重恐慌，不利于震后恢復正常生活和工作的開展。從性能化設(shè)計的角度出發(fā)，對填充墻、女兒墻、建筑外立面裝飾材料等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也應進行相應的抗震性能和抗震安全的研究，并在性能化抗震設(shè)計的基礎(chǔ)上，對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計給出具體的規(guī)定。

    　　2.4 逃生通道損壞嚴重
    　　震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，樓梯間、懸挑走廊等災后逃生通道的震害普遍較為嚴重。在現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)澆樓梯的破壞主要集中在跑板或跑梁跨中斷裂，填充墻開裂嚴重；而在采用預制鋼筋混凝土梁式樓梯或板式樓梯的住宅結(jié)構(gòu)中，樓梯梯板與兩端支座連接處拉開，樓梯間與結(jié)構(gòu)其它部分完全分離。如圖10 所示。

    　　在罕遇地震中建筑物應能保證“大震不倒”，這是對建筑物內(nèi)人員生命安全的保障，其意義在于保證建筑物發(fā)生破壞后人員有機會逃離建筑物而獲救。但是，即使建筑物能夠“大震不倒”，逃生通道卻嚴重損壞，人員也無法及時脫離險境。因此，在保證“大震不倒”的前提下，逃生通道的重要性應適當提高，有必要對樓梯間特別休息平臺與梯板的抗震設(shè)計開展專門的研究，提高樓梯作為逃生通道的功能要求。
    　　3 提高建筑物抗倒塌能力的設(shè)計思想
    　　由于本次汶川地震屬于特大罕遇地震，高烈度區(qū)保證建筑在罕遇地震中做到“大震不倒”，提高建筑物抗倒塌能力，減小地震中的人員傷亡是抗震防災的最基本要求。這次汶川地震倒塌房屋650 余萬間，人員死傷基本上都是因為房屋建筑倒塌被埋或被砸。盡管我國抗震規(guī)范的第三階段設(shè)防要求大震不倒，但大震抗倒塌計算一般僅針對少數(shù)重要建筑結(jié)構(gòu)進行，而對大量一般結(jié)構(gòu)，則主要依賴結(jié)構(gòu)構(gòu)造與概念設(shè)計。
    然而，這次汶川地震中倒塌的大多數(shù)是一般房屋建筑。因此，如何保證結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“大震不倒”的目標，特別是針對一般房屋建筑，有必要進一步展開深入的研究。探究這些建筑倒塌的原因，除了地區(qū)抗震設(shè)防標準的問題外，研究建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在災害作用下的整體性，是提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力的關(guān)鍵。
    　　3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性
    　　建筑結(jié)構(gòu)是由很多基本構(gòu)件組成的一個復雜系統(tǒng)，本文基于系統(tǒng)科學的思想，探討建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗倒塌能力和設(shè)計建議。根據(jù)系統(tǒng)科學的基本概念，一個復雜系統(tǒng)的功能主要取決于其整體性。整體性是系統(tǒng)方法的核心和目標。系統(tǒng)的整體性可以簡單的表述為“整體不等于部分之和”。對于建筑結(jié)構(gòu)來說，一方面，構(gòu)件的功能依賴于結(jié)構(gòu)整體，任何構(gòu)件一旦離開結(jié)構(gòu)整體，就不再具有它在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所能發(fā)揮的功能；另一方面，構(gòu)件影響結(jié)構(gòu)整體的功能，任何構(gòu)件一旦離開結(jié)構(gòu)整體，結(jié)構(gòu)整體喪失的功能不等于該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所發(fā)揮的功能，可能更大，也可能更小。
    　　由于系統(tǒng)組成的復雜性，采用同樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按不同方式所組成的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其整體性可能表現(xiàn)為截然不同的結(jié)果。如果因為結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的互相依賴而加劇了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體功能的損失，則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體抗震能力弱，這樣的整體性屬于不利的整體性，也即所謂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的易損性。911 事件后，國際工程界對建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌機理的研究正是為了克服結(jié)構(gòu)易損性可能造成的危害。與之相對的是有利的整體
    性，經(jīng)過合理設(shè)計和組織的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，能夠利用元素之間的相互依賴與影響，最大限度地減少結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體功能的損失，即所謂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性。
    　　魯棒性是反映復雜系統(tǒng)整體性的一個重要特性。在討論建筑結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)專家也常用“結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性”和“結(jié)構(gòu)的整體牢固性”來表述。事實上，“魯棒性”、“整體穩(wěn)定性”和“整體牢固性”是從不同的角度對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的描述。在系統(tǒng)方法中，穩(wěn)定性有其特定的定義，而整體牢固性則是更接近工程的技術(shù)術(shù)語。為此，以下先從系統(tǒng)科學角度，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“魯棒性”、“整體穩(wěn)定性”和“整體牢固性”的概念給予明確。
    　　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性是指，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不會因為某個局部構(gòu)件的破壞而出現(xiàn)與之不相稱的整體功能喪失，也即局部構(gòu)件破壞對結(jié)構(gòu)整體性能沒有造成什么影響，這可以直觀的表述為一種“減法整體性”，即3-1>2。文獻[5]詳細討論了抗震結(jié)構(gòu)的魯棒性對于罕遇地震中結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的重要意義，并提出了增強結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震魯棒性的方法，如增加結(jié)構(gòu)的冗余度、明確不同構(gòu)件的功能類型、實現(xiàn)多重抗震防線、提高結(jié)構(gòu)的整體牢固性等。
    　　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性注重對損傷結(jié)果的描述，而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性則注重對損傷過程的描述。這里所說的穩(wěn)定性，是從結(jié)構(gòu)狀態(tài)突變的角度定義的廣義穩(wěn)定性，而一般經(jīng)常討論的壓桿分叉失穩(wěn)問題只是種種狀態(tài)突變中的一種。在災害作用下，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從完好狀態(tài)向破損狀態(tài)甚至倒塌狀態(tài)的變化過程，存在穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種變化過程。如果發(fā)生突變破壞，建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的倒塌過程將難以預測和控制。因此，
    希望結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷破壞過程能夠表現(xiàn)為連續(xù)穩(wěn)定的漸進式破壞過程，這種破壞過程相對容易預測與掌控，而且破壞過程中結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性依然能夠得到保持。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定漸進式的破壞過程，可分解為多個連續(xù)穩(wěn)定的階段，每個階段都有相應的損傷控制機制，并能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的承載能力和變形能力，從而有效的避免瞬間的突變式破壞。這種連續(xù)穩(wěn)定的漸進式破壞過程，可以使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從開始破壞到最終倒塌有相當長的時間，并且在這一過程如果外界災害作用停止，則整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞過程也停止，不會在短時間內(nèi)繼續(xù)發(fā)展，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以維持其整體狀態(tài)，因而能夠保證建筑內(nèi)的人員逃離。文獻[7]將結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式分為整體型與局部型兩種，其中整體型破壞模型具有連續(xù)穩(wěn)定的破壞過程，且有利于充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各個部分的能力，是比較理想的破壞模式。文獻[7]提出了
    在結(jié)構(gòu)設(shè)計中保證整體型破壞模式的思路，并指出其關(guān)鍵在于正確認識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的層次性并使構(gòu)件功能及其安全儲備與它們的重要性相匹配。
    　　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性與整體穩(wěn)定性實際上是一個問題從不同角度的表述，前者描述結(jié)果，后者描述過程。因此，增強結(jié)構(gòu)系統(tǒng)魯棒性與穩(wěn)定性的設(shè)計思路與途徑是統(tǒng)一的。
    　　除此之外，建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)成立的前提條件是構(gòu)件之間的相互作用。如果在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可輕易地解體為單個構(gòu)件，則上述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性也無從談起。因此，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體牢固性是實現(xiàn)上述魯棒性和整體穩(wěn)定性的前提，也即建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應注重構(gòu)件之間的連接構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間有利的相互作用能夠得到充分的發(fā)揮，最大程度的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體抗震能力目標。
    　　盡管整體牢固性是實現(xiàn)上述魯棒性和整體穩(wěn)定性的前提，但結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性和整體穩(wěn)定性屬于整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層面的概念，與整體牢固性仍然具有不同的意義。比如，底框結(jié)構(gòu)，可能底框柱與上部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造措施很牢固，但由于這個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)屬于局部型破壞機制，結(jié)構(gòu)的整體抗震能力仍然不好。因此，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性是保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體抗倒塌能力不可或缺的三個方面。
    　　3.2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全儲備
    　　雖然建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從建成伊始便是作為一個整體而存在的，具有整體性，但在一般常遇荷載（如豎向靜力荷載等）作用下，建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的作用和意義并未得到充分體現(xiàn)，各個構(gòu)件都處于正常工作狀態(tài)，基本如同積木式結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。只有在強烈的外界作用下（如罕遇地震等極端災害），構(gòu)件與構(gòu)件之間的相互作用的強烈非線性特征，建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性才在保證整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全中體現(xiàn)出其意義和
    價值。
    　　圖11 用結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載-位移曲線表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在水平地震作用下的行為。圖中B 點為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的宏觀屈服點，屈服點前后結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體剛度發(fā)生明顯的變化。圖中D 點為倒塌前后的臨界點，稱為“倒塌點”。倒塌點的定義目前還沒有統(tǒng)一的結(jié)論，本文從結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性角度來定義“倒塌點”，認為在水平作用停止，結(jié)構(gòu)仍能承擔其自重作用并恢復一定的彈性變形，即圖11 中DE 段曲線，則沒有倒塌；但如果撤去水平作用，結(jié)構(gòu)在其自重作用下變形進一步加大而無法控制，即圖11 中DF 段曲線，則結(jié)構(gòu)倒塌。兩種狀態(tài)的臨界點即為結(jié)構(gòu)的倒塌點。

    　　在“小震不壞”的設(shè)計階段，為了保證結(jié)構(gòu)不進入屈服，規(guī)范考慮到正常情況下可能的各種隨機因素與結(jié)構(gòu)安全儲備，設(shè)定了低于屈服點B 的“小震設(shè)計點”，如圖11 中的A 點。在這一階段，結(jié)構(gòu)的安全儲備主要由各個構(gòu)件的承載力安全儲備保證，即在數(shù)值上等于安全儲備最小的構(gòu)件的承載力安全儲備。這種安全儲備可以稱為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“基本承載力安全儲備”，如圖11 中A 點與B 點之間的承載力富余程度。其工程意義在于保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足正常使用狀況下的安全和適用性能需求。
    　　在“大震不倒”的設(shè)計階段，為了保證結(jié)構(gòu)在實際地震中不發(fā)生倒塌，應該在倒塌點D 之前合理設(shè)定“大震不倒設(shè)計點”，如圖11 中的C 點。在我國現(xiàn)行規(guī)范中，大震不倒設(shè)計點C 點對應于結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移要求，比如對RC 框架和多高層鋼結(jié)構(gòu)要求彈塑性層間變形不得超過1/50?！暗顾c”是客觀存在的狀態(tài)，而大震不倒設(shè)計點是考慮安全儲備與各種隨機因素，按照人為設(shè)定的“大震”等級進行設(shè)計計算的狀態(tài)。事實上，從“大震不倒設(shè)計點C”到“倒塌點D”之間，結(jié)構(gòu)可能并未倒塌，而是破壞的嚴重程度不同。
    　　結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為一個整體，其屈服表現(xiàn)為系統(tǒng)中的某些構(gòu)件的屈服甚至破壞，這時整體結(jié)構(gòu)的安全儲備既與構(gòu)件的安全儲備相關(guān)，但又不完全取決于構(gòu)件的安全儲備而是取決于取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所有構(gòu)件在承載力、延性、耗能能力等各個方面儲備的合理分布與等級層次。因此，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全儲備只有在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體的層次上才能表現(xiàn)出來，稱為“整體安全儲備”，對應于圖11 中B 點與C 點之間的富余程度。目
    前，通過對結(jié)構(gòu)整體進入彈塑性的計算分析，可以得到結(jié)構(gòu)的整體安全儲備，目前震規(guī)范只要求重點工程進行計算，但對一般房屋建筑結(jié)構(gòu)，還需要進一步開展研究，發(fā)展簡化實用的計算，使得能夠把握一般房屋建筑結(jié)構(gòu)的“整體安全儲備”水平。
    　　當結(jié)構(gòu)遭遇設(shè)計時沒有考慮的意外作用（如巨震）時，結(jié)構(gòu)狀態(tài)可能超越C 點。這時，圖11 中C 點與D 點之間的部分對于保證結(jié)構(gòu)不倒塌具有決定性的作用。這部分儲備目前難以通過計算手段加以確定，可以稱為“意外安全儲備”，主要取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性，但這方面的研究目前還相當缺乏。
    　　提高房屋建筑的抗倒塌能力，一方面是要合理的確定規(guī)范中的“大震不倒設(shè)計點”C 點，如果在規(guī)定的大震水平作用下，結(jié)構(gòu)響應不超過C 點，則可以保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌；另一方面，由于地震發(fā)生的高度不確定性，建筑結(jié)構(gòu)有可能遭遇比按規(guī)范設(shè)定的“大震”等級更大的巨震（比如，這次汶川地震，汶川和北川為7 度抗震設(shè)防地區(qū)，設(shè)計大震為8 度，卻經(jīng)歷了約11 度的地震。我國以前幾次大地震也是這類情
    況，如1966 邢臺地震：設(shè)防7 度，實際10 度；1975 海城地震：設(shè)防6 度，實際9~11 度；1976 唐山地震：設(shè)防6 度，實際11 度）。因此，在遭遇實際地震情況下，結(jié)構(gòu)狀態(tài)可能超過大震設(shè)計點。這時就需要研究如何使得結(jié)構(gòu)的倒塌臨界點D 點盡量推遲。
    　　當結(jié)構(gòu)狀態(tài)超越屈服點B 點，接近“大震不倒設(shè)計點”C 點，甚至超越C 點時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間非線性作用非常強烈，有些構(gòu)件已經(jīng)屈服甚至退出工作，結(jié)構(gòu)整體性對于保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能至關(guān)重要。因此在些階段，應重點研究結(jié)構(gòu)整體性，努力提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性與整體牢固性。另外，在“大震設(shè)計點”C 點之前，尚可以通過統(tǒng)計方法大體確定隨機因素的影響，確定結(jié)構(gòu)的安全儲備；一旦超越C 點，結(jié)構(gòu)狀態(tài)與地震作用都將無法統(tǒng)計或無法預計，這種隨機性也要考慮。
    　　圖12 為作者在這次汶川地震調(diào)查中收集到不同破壞程度的建筑震害狀況。顯然，這些建筑震害狀況已超過抗震規(guī)范的“大震設(shè)計點”，有些并未倒塌，而有些則倒塌。盡管超過“大震設(shè)計點”可能也會造成一定的人員傷亡，但比徹底倒塌的人員傷亡要小很多。如前所說，“大震設(shè)計點”后結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震性能主要取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性，也即結(jié)構(gòu)系統(tǒng)“倒塌點D”與“大震設(shè)計點
    C”之間的“意外安全儲備”大小。因此，增強結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、整體穩(wěn)定性和整體牢固性，是提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力具的基本思想。

    　　綜上所述，對于一般建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，目前設(shè)計規(guī)范只明確了基本安全儲備，而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備和意外安全儲備在概念上尚未明確，相應的工程教育也很缺乏。實際設(shè)計中有經(jīng)驗的工程師會憑借其豐富的經(jīng)驗和智慧合理發(fā)揮規(guī)范的抗震構(gòu)造措施來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備與意外安全儲備。但由于規(guī)范目前對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備與意外安全儲備沒有明確規(guī)定，大多未引起重視，特別是對于一
    般房屋建筑，甚至根本不被重視，甚至有些工程師盡量用足規(guī)范，不留任何余地，這固然有規(guī)范不夠完善的地方，但這樣的做法實際上是不具備工程師的基本素質(zhì)的。
    　　在磚混結(jié)構(gòu)中，磚墻是主要承力構(gòu)件，容易發(fā)生脆性破壞，破壞過程不穩(wěn)定，且承重墻之間的連接容易被忽視，導致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體牢固性不良。圈梁與構(gòu)造柱形成的整體受力框架可以為承重墻提供約束與連接，是提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的魯棒性、穩(wěn)定性和整體牢固性，有效提高增加結(jié)構(gòu)意外安全儲備的關(guān)鍵。然而，意外安全儲備與傳統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常關(guān)注的基本安全儲備分別來自不同的構(gòu)件，使得磚混結(jié)構(gòu)的整體性容易被設(shè)計、施工與管理人員忽視，為這類結(jié)構(gòu)在地震中的安全性埋下隱患，成為磚混結(jié)構(gòu)抗震能力不足的最大問題。上文中提到的框架結(jié)構(gòu)在震害中表現(xiàn)出的“強梁弱柱、強彎弱剪”等不良破壞模式，也是基本安全儲備與意外安全儲備錯位的體現(xiàn)。梁、柱的承載力級差，構(gòu)件彎、剪承載力的級差，都只有在結(jié)構(gòu)進入屈服，構(gòu)件發(fā)生破壞以后才能體現(xiàn)出來，而在基本安全儲備階段無法體現(xiàn)?？梢姡F(xiàn)行設(shè)計規(guī)范與設(shè)計理論中在
    整體安全儲備和意外安全儲備方面的缺失，是汶川地震中大量房屋倒塌的主要原因之一。下面從三個方面對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“整體安全儲備”和“意外安全儲備”進行討論，以期提高我國建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。
    　　4 提高建筑物抗倒塌能力的方法
    　　本文以下分別從完善結(jié)構(gòu)整體安全儲備的第二階段“大震不倒”抗震設(shè)計方法，以及從結(jié)構(gòu)抗震體系和結(jié)構(gòu)整體性兩方面，對“大震不倒設(shè)計點”后增加結(jié)構(gòu)意外安全儲備和提高建筑物抗倒塌能力方法進行討論。
    　　4.1 完善第二階段抗震設(shè)計方法
    　　目前，我國房屋建筑采用三水準抗震設(shè)防目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，并采用二階段設(shè)計方法予以實現(xiàn)。第一階段為按小震進行抗震計算設(shè)計，這部分已經(jīng)比較成熟，主要解決結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本安全儲備。但對于第二階段設(shè)計，由于結(jié)構(gòu)抗地震倒塌的計算分析難度很大，目前我國抗震規(guī)范只對重要建筑有比較具體的大震驗算規(guī)定，對一般建筑主要是通過采用合理的結(jié)構(gòu)體系和采取抗震措施實現(xiàn)“大震不倒”。
    　　抗震措施和構(gòu)造是地震震害研究、試驗研究和理論分析的成果。由于大震下結(jié)構(gòu)倒塌問題的復雜性，現(xiàn)有研究成果很有限，目前我國抗震規(guī)范關(guān)于大震不倒的抗震措施還需要進一步完善，有必要通過總結(jié)震害特征、對建筑典型震害的實驗再現(xiàn)與理論分析，進一步研究結(jié)構(gòu)抗倒塌的設(shè)計方法和具體措施，在抗震規(guī)范中給出抗倒塌設(shè)計的具體規(guī)定。如日本1981 年后執(zhí)行的建筑基準法，規(guī)定31m 以上的建筑均需進行
    按第二階段進行抗震設(shè)計，所采用的方法包括：結(jié)構(gòu)抗震承載力計算方法；極限抗震承載力計算方法；基于能量的計算方法，對于60m 以上的建筑，則要求采用時程分析方法?？梢姡毡疽筮M行第二階段抗震計算的建筑范圍比我國規(guī)范大，而且有相應的配套的實用計算方法，便于設(shè)計人員具體應用。因此，建議進一步開展建筑結(jié)構(gòu)抗地震倒塌設(shè)計方法研究，完善我國規(guī)范第二階段設(shè)計方法的具體規(guī)定，擴大第二階
    段設(shè)計的應用范圍。
    　　關(guān)于第二階段設(shè)計方法，應結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震倒塌機制分析，開展建筑結(jié)構(gòu)倒塌模式的研究。針對大震下結(jié)構(gòu)整體安全儲備目標，應在設(shè)計中控制結(jié)構(gòu)的倒塌模式，使之存在不易倒塌的區(qū)域（如衛(wèi)生間和樓梯），盡量保證建筑物內(nèi)人員可以及時逃離，或為無法及時逃出的人員提供局部生存空間，等待外部人員的救援。
    　　4.2 重視結(jié)構(gòu)體系與選型
    　　合理的結(jié)構(gòu)形式和抗震體系是保證建筑抗震安全的首要因素。本次地震中，結(jié)構(gòu)形式不合理、結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，未有效設(shè)置圈梁好構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)，在本次地震中破壞嚴重，特別是單跨、縱墻承重、外挑走廊的教學樓。這類建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震能力先天不足，再加上沒有采取起碼的抗震構(gòu)造措施（未設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱，樓板沒有拉結(jié)）和粗糙的施工質(zhì)量，才釀成如此嚴重的后果。
    　　根據(jù)系統(tǒng)科學方法的思想，結(jié)構(gòu)的抗震能力，首先取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計，即結(jié)構(gòu)抗震體系的問題，其次是抗震構(gòu)造措施，最后才是具體的抗震計算的問題。然而，在工程實踐中，由于結(jié)構(gòu)抗震體系和結(jié)構(gòu)形式很多，無法簡單的用規(guī)范條文做出規(guī)定，同時我國在建筑結(jié)構(gòu)體系的工程教育方面長期存在一些問題，以至于工程師們只會死摳設(shè)計規(guī)范，并盡量用足規(guī)范的限制，不過分的說，就是盡量鉆規(guī)范的空子，盡管規(guī)范可能存在不完善之處，但作為工程師不能用這種方式去應用規(guī)范，而應憑借自己的基本結(jié)構(gòu)概念好對工程負責的態(tài)度進行設(shè)計（規(guī)范也要明確規(guī)定，按規(guī)范設(shè)計不能免除設(shè)計者的法律責任）。在這次震害調(diào)查中，綿陽市有位會用規(guī)范的“大膽”工程師，其設(shè)計的10 多棟建筑中，有3 棟倒塌，其余破壞嚴重或較為嚴重。這暴露出目前“重構(gòu)件，輕結(jié)構(gòu)”的抗震設(shè)計方法的危害。為此，有必要深刻總結(jié)地震震害經(jīng)
    驗，吸取震害教訓，強化抗震規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)體系與選型方面的指導性條文，進一步大力完善我國的建筑規(guī)范體系，逐漸改變目前基于構(gòu)件的規(guī)范條文體系和工程教育傳統(tǒng)，建立立足于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的思想和規(guī)范體系，可以適當參考國外抗震規(guī)范中的成功經(jīng)驗，如日本規(guī)范通過偏心率和剛度率的具體規(guī)定明確了對結(jié)構(gòu)體型的要求。
    　　另一方面，我國目前對結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的審查力度還有待改進。建筑抗震設(shè)計審查應在重點針對結(jié)構(gòu)抗震體系的合理性審查的基礎(chǔ)上進行，而不是僅僅按規(guī)范條文逐條審查。調(diào)整并健全專業(yè)規(guī)范與相關(guān)法律法規(guī)之間的關(guān)系，突出規(guī)范的專業(yè)性與權(quán)威性，弱化其法規(guī)性。同時，為避免建筑師任意采用復雜不規(guī)則的建筑造型，給結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計造成困難，應規(guī)定建筑師和工程師共同對建筑結(jié)構(gòu)安全擔負責任。
    　　需要指出的是，近年來我國建筑設(shè)計出現(xiàn)的了追求新奇特的趨勢，造成大量不利于抗震的極不規(guī)則的建筑。建筑界的這種傾向會顯著增加建筑抗震設(shè)計的難度，也會造成許多隱患。然而，盡管我國大量新奇特建筑不斷出爐，但真正在世界上有影響的標志性建筑并不多。相反，美國、日本和西方的許多著名建筑大多不是以新奇特取勝，這一點值得我國建筑師認真反思。
    　　4.3 重視對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的研究
    　　建立基于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性的規(guī)范體系，就必須從系統(tǒng)科學方法的高度，重視結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性、魯棒性、穩(wěn)定性和牢固性的研究。而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性、魯棒性、穩(wěn)定性和牢固性正是使結(jié)構(gòu)在極端災害作用下保證安全的基本屬性。
    　　結(jié)構(gòu)應被看作是由不同構(gòu)件有機組織而成，構(gòu)件與構(gòu)件之間，構(gòu)件與結(jié)構(gòu)之間互相依賴、互相影響的一個系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)科學，安全可靠的構(gòu)件并不一定意味著安全可靠的結(jié)構(gòu)。當構(gòu)件之間的組織關(guān)系不利結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性能目標時，結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出易損性，極端的例子便是連續(xù)性倒塌，結(jié)構(gòu)局部的破壞迅速擴散并導致與原因不相稱的后果。沒有圈梁和構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)恰恰屬于這種類型。砌體墻嚴重缺乏變形能力，
    容易發(fā)生脆性，而砌體墻偏偏又是結(jié)構(gòu)中的主要承重構(gòu)件。砌體墻某處一旦發(fā)生脆性破壞，巨大的內(nèi)力重分布很容易在結(jié)構(gòu)中引發(fā)連續(xù)性破壞，進而導致整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的短時間內(nèi)連續(xù)性垮塌，預制樓板與樓體的不良連接更加劇了整個結(jié)構(gòu)的整體倒塌。
    　　然而另一方面，只要構(gòu)件組織合理，能夠形成有序的受力層次與破壞序列，就可以實現(xiàn)高魯棒性的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。圈梁、構(gòu)件造的重要意義就在于此。它們并不僅能顯著提高磚墻的承重能力，更重要的是顯著增強了結(jié)構(gòu)的整體性，使之由易損性轉(zhuǎn)變?yōu)轸敯粜?。圈梁和?gòu)造柱通過對砌體墻的有效約束，提高了磚墻的變形能力，延緩了墻體的倒塌，并減小了結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)快速解體的可能性。這種對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震能力具有
    質(zhì)變的提高，不是通過提高砌體強度和砂漿強度等量變措施可以達到的，它也恰恰體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性研究的必要性。
    　　從利用結(jié)構(gòu)整體性的角度講，提高結(jié)構(gòu)抵御災害的能力并不一定要大幅提高結(jié)構(gòu)的承載力安全儲備而導致大幅增加建設(shè)成本。恰恰相反，只要深入研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，合理利用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性，完全可以通過少量的抗震設(shè)計或構(gòu)造措施（如設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁、樓板拉結(jié)等），顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。這符合我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展水平，這方面的研究值得大力提倡。文獻[9]中關(guān)于提高我國新疆地區(qū)大量存在的土坯房的抗震能力的建議是很好的例子。這次汶川地震中再次暴露出了砌體結(jié)構(gòu)的問題，建議在總結(jié)這次震害中表現(xiàn)良好砌體結(jié)構(gòu)的成功做法，吸取破壞嚴重甚至完全倒塌砌體結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗教訓的基礎(chǔ)上，就如何提高砌體結(jié)構(gòu)的整體性與抗倒塌能力，開展進一步的細致研究，提出可靠的、且切實可行的砌體結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計方法和構(gòu)造措施。與此同時，也應加大對其他結(jié)構(gòu)體系的整體性與抗倒塌能力問題的研究投入，為
    建立基于結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)的規(guī)范體系打好基礎(chǔ)。實現(xiàn)在巨震下人員可逃的結(jié)構(gòu)不倒的目標。
    　　五、結(jié)語
    　　由于“大震不倒”對于減少地震人員傷亡非常重要，本文針對震害中大量房屋嚴重破損甚至完全倒塌的現(xiàn)象，討論了提高建筑物抗倒塌能力的設(shè)計思想。主要結(jié)論如下：
    　　(1) 建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全儲備分為基本安全儲備、整體安全儲備與意外安全儲備三個層次。其中基本安全儲備是構(gòu)件層次的安全儲備，整體安全儲備和意外安全儲備是系統(tǒng)整體層次上的安全儲備?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范更多關(guān)注的是基本安全儲備，而對整體安全儲備和意外安全儲備缺少明確的要求。
    　　(2) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在可預計的多遇荷載作用下的安全性可以通過基本安全儲備加以保障，而其抵御災害的能力則依賴于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體安全儲備和意外安全儲備。意外安全儲備不足是汶川地震建筑結(jié)構(gòu)震害嚴重的主要原因之一。
    　　(3) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的意外安全儲備主要來自其魯棒性、穩(wěn)定性和整體牢固性。其中整體牢固性是保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有整體性的前提，它要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間具有恰當而可靠的連接。魯棒性和穩(wěn)定性則可以使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)趨向于有利的整體性結(jié)果。魯棒性要求結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不因局部受損而發(fā)生與原因不相稱的破壞；穩(wěn)定性要求結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞過程具有多個層次，各個層次能夠有效地控制損傷擴散的次序與程度。
    　　(4) 建議從結(jié)構(gòu)第二階段抗倒塌設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體性三個方面進一步開展深入的研究，完善我國現(xiàn)行規(guī)范，特別是應加強這方面的工程結(jié)構(gòu)教育，提高我國建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力的設(shè)計水平。
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