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建筑結構的抗倒塌能力??汶川地震建筑震害的教訓

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    建筑結構的抗倒塌能力??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(xué)土木工程系，北京 100084

    摘 要：工程結構的抗震能力是社會(huì )抗震防災系統的第一道防線(xiàn)。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，建筑結構的抗震能力，特別是抗倒塌能力，對于社會(huì )整體抗震防災非常重要。本文結合汶川地震中建筑震害的教訓，運用系統科學(xué)的思想分析了提高建筑結構整體抗震能力的途徑，重點(diǎn)針對建筑結構抗倒塌能力，提出了建筑結構抗震設計中應注意的問(wèn)題和改
    進(jìn)建議。
    關(guān)鍵詞：汶川地震；建筑震害；結構抗震體系；抗倒塌設計；魯棒性；整體穩定性；整體牢固性

    在城市抗震防災系統的等級序列中，建筑物和基礎設施的抗震能力是抗震防災的第一道防線(xiàn)。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(xué)的一位專(zhuān)家曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，“造成傷亡的是建筑物，而不是地震”。本文根據汶川地震中的典型建筑震害分析，用系統科學(xué)的思想分析了提高建筑結構整體抗震能力的途徑，重點(diǎn)針對建筑結構抗倒塌能力，提出了建筑結構抗震設計中應注意的問(wèn)題和改進(jìn)建
    議。
    　　1 汶川地震中建筑震害的基本特點(diǎn)
    　　汶川地震建筑震害表明，隨著(zhù)我國房屋建筑抗震安全儲備與設計水平的提高（從74 抗震規范到89 抗震規范再到01 抗震規范），從80 年代到90 年代再到21 世紀后，按照最新抗震標準設計建造的建筑物，其震害有明顯減輕的趨勢。符合89 和01 抗震規范的建筑，基本沒(méi)有嚴重損壞或倒塌。對于體量不大、體型比較規則的，采用現澆鋼筋混凝土框架、磚混結構等成熟結構體系的建筑物，當按89 和01 抗震規范進(jìn)
    行設計，并保證施工質(zhì)量時(shí)，總體上能夠達到預期的抗震性能目標。這意味著(zhù)良好的抗震設計和施工質(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構，在這次地震中震害十分嚴重。另一方面，村鎮建筑和農民自建住宅，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 分別為安縣秀水鎮新舊兩個(gè)街區的整體震害情況。

    　　2 汶川地震中主要結構形式的震害
    　　本文主要討論建筑結構的抗倒塌能力，以下首先介紹汶川地震中主體結構損壞、嚴重破壞和倒塌的典型建筑震害。
    　　2.1 磚混結構
    　　四川地震區磚混結構的數量很多，震害也非常嚴重。村鎮的住宅、教學(xué)樓，城市的一些舊的居民樓、辦公樓、小型廠(chǎng)房大多采用這種結構。在汶川地震中，大量磚混結構發(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 為磚混結構的典型震害。

    　　對一些倒塌的磚混結構建筑的調查發(fā)現，倒塌的主要原因可以歸結為兩點(diǎn)，一是結構形式不合理，如教學(xué)樓大多采用縱墻承重、大開(kāi)間、大開(kāi)窗、外挑走廊；二是抗震構造措施嚴重不足，如預制樓板無(wú)拉結、無(wú)后澆疊合層，特別無(wú)構造柱，甚至沒(méi)有圈梁。具有這兩個(gè)特點(diǎn)的砌體結構大多在設防烈度地震下發(fā)生整體性倒塌，甚至是粉碎性倒塌，許多磚混教學(xué)樓的整體倒塌更成為震后社會(huì )各界關(guān)注的焦點(diǎn)，造成了嚴重
    的社會(huì )影響（圖4）。

    　　然而震害調查中同時(shí)發(fā)現，一些按規范認真設計、結構形式和抗震構造措施合理的磚混結構房屋，抗震性能滿(mǎn)足設防要求，見(jiàn)圖5。事實(shí)上，1976 年唐山地震以及上世紀末我國西部地區的多次地震震害都表明[1][2][3]，磚混結構中的現澆鋼筋混凝土圈梁、構造柱對于結構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，特別是構造柱的作用尤為重要。只要構造措施得當，磚混結構完全可以實(shí)現預期的抗震設防目標。這次地震卻重蹈了唐山地震慘烈震害的覆轍，很多是在結構體系和設計方面存在問(wèn)題，具體原因將在下文詳細討論。

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

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

    　　2.3 框架結構
    　　本次地震中，大多數框架結構的主體結構震害一般較輕，盡管如此，震害調查顯示，框架結構的柱端出鉸、柱端剪切破壞、節點(diǎn)區破壞等現象比較常見(jiàn)，見(jiàn)圖8。這些震害表明，現行設計規范[5]中要求柱鉸機制機制的破壞模式?jīng)]有實(shí)現，“強柱弱梁、強剪弱彎、強結點(diǎn)弱構件”等設計理念沒(méi)有實(shí)現。在強柱弱梁方面，由于框架梁跨度過(guò)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，規范對框架柱的軸壓比限值過(guò)高使得框架柱的截面尺寸偏小等，使得框架梁或屋蓋的實(shí)際剛度增大，在實(shí)際框架結構震害中，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(huì )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(jiàn)，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(shí)可行實(shí)用的配筋構造技術(shù)，如連續箍筋技術(shù)，防止柱端混凝土強度嚴重退化，充分保證“強剪弱彎”。
    　　另外，框架結構的圍護結構和填充墻發(fā)生明顯的震害，見(jiàn)圖9。這雖然不屬于主體結構的破壞，但仍然會(huì )對人員安全造成威脅，同時(shí)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(hù)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(kāi)展。從性能化設計的角度出發(fā)，對填充墻、女兒墻、建筑外立面裝飾材料等非結構構件也應進(jìn)行相應的抗震性能和抗震安全的研究，并在性能化抗震設計的基礎上，對非結構構件的抗震設計給出具體的規定。

    　　2.4 逃生通道損壞嚴重
    　　震害調查發(fā)現，樓梯間、懸挑走廊等災后逃生通道的震害普遍較為嚴重。在現澆框架結構中，現澆樓梯的破壞主要集中在跑板或跑梁跨中斷裂，填充墻開(kāi)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構中，樓梯梯板與兩端支座連接處拉開(kāi)，樓梯間與結構其它部分完全分離。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(huì )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(wú)法及時(shí)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計開(kāi)展專(zhuān)門(mén)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計思想
    　　由于本次汶川地震屬于特大罕遇地震，高烈度區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(wàn)間，人員死傷基本上都是因為房屋建筑倒塌被埋或被砸。盡管我國抗震規范的第三階段設防要求大震不倒，但大震抗倒塌計算一般僅針對少數重要建筑結構進(jìn)行，而對大量一般結構，則主要依賴(lài)結構構造與概念設計。
    然而，這次汶川地震中倒塌的大多數是一般房屋建筑。因此，如何保證結構實(shí)現“大震不倒”的目標，特別是針對一般房屋建筑，有必要進(jìn)一步展開(kāi)深入的研究。探究這些建筑倒塌的原因，除了地區抗震設防標準的問(wèn)題外，研究建筑結構系統在災害作用下的整體性，是提高結構整體抗震能力的關(guān)鍵。
    　　3.1 結構系統的魯棒性、整體穩定性和整體牢固性
    　　建筑結構是由很多基本構件組成的一個(gè)復雜系統，本文基于系統科學(xué)的思想，探討建筑結構系統的抗倒塌能力和設計建議。根據系統科學(xué)的基本概念，一個(gè)復雜系統的功能主要取決于其整體性。整體性是系統方法的核心和目標。系統的整體性可以簡(jiǎn)單的表述為“整體不等于部分之和”。對于建筑結構來(lái)說(shuō)，一方面，構件的功能依賴(lài)于結構整體，任何構件一旦離開(kāi)結構整體，就不再具有它在結構系統中所能發(fā)揮的功能；另一方面，構件影響結構整體的功能，任何構件一旦離開(kāi)結構整體，結構整體喪失的功能不等于該構件在結構系統中所發(fā)揮的功能，可能更大，也可能更小。
    　　由于系統組成的復雜性，采用同樣的結構構件按不同方式所組成的建筑結構系統，其整體性可能表現為截然不同的結果。如果因為結構構件之間的互相依賴(lài)而加劇了結構系統整體功能的損失，則結構系統的整體抗震能力弱，這樣的整體性屬于不利的整體性，也即所謂結構系統的易損性。911 事件后，國際工程界對建筑結構連續性倒塌機理的研究正是為了克服結構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(guò)合理設計和組織的結構系統，能夠利用元素之間的相互依賴(lài)與影響，最大限度地減少結構系統整體功能的損失，即所謂結構系統的魯棒性。
    　　魯棒性是反映復雜系統整體性的一個(gè)重要特性。在討論建筑結構時(shí)，結構專(zhuān)家也常用“結構的整體穩定性”和“結構的整體牢固性”來(lái)表述。事實(shí)上，“魯棒性”、“整體穩定性”和“整體牢固性”是從不同的角度對結構系統整體性的描述。在系統方法中，穩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(yǔ)。為此，以下先從系統科學(xué)角度，對結構系統的“魯棒性”、“整體穩定性”和“整體牢固性”的概念給予明確。
    　　結構系統的魯棒性是指，結構系統不會(huì )因為某個(gè)局部構件的破壞而出現與之不相稱(chēng)的整體功能喪失，也即局部構件破壞對結構整體性能沒(méi)有造成什么影響，這可以直觀(guān)的表述為一種“減法整體性”，即3-1>2。文獻[5]詳細討論了抗震結構的魯棒性對于罕遇地震中結構抗倒塌能力的重要意義，并提出了增強結構系統抗震魯棒性的方法，如增加結構的冗余度、明確不同構件的功能類(lèi)型、實(shí)現多重抗震防線(xiàn)、提高結構的整體牢固性等。
    　　結構系統的魯棒性注重對損傷結果的描述，而結構系統的整體穩定性則注重對損傷過(guò)程的描述。這里所說(shuō)的穩定性，是從結構狀態(tài)突變的角度定義的廣義穩定性，而一般經(jīng)常討論的壓桿分叉失穩問(wèn)題只是種種狀態(tài)突變中的一種。在災害作用下，結構系統從完好狀態(tài)向破損狀態(tài)甚至倒塌狀態(tài)的變化過(guò)程，存在穩定的和不穩定的兩種變化過(guò)程。如果發(fā)生突變破壞，建筑結構系統的倒塌過(guò)程將難以預測和控制。因此，
    希望結構系統的損傷破壞過(guò)程能夠表現為連續穩定的漸進(jìn)式破壞過(guò)程，這種破壞過(guò)程相對容易預測與掌控，而且破壞過(guò)程中結構系統的整體性依然能夠得到保持。結構系統的連續穩定漸進(jìn)式的破壞過(guò)程，可分解為多個(gè)連續穩定的階段，每個(gè)階段都有相應的損傷控制機制，并能充分發(fā)揮結構系統所有結構構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。這種連續穩定的漸進(jìn)式破壞過(guò)程，可以使得結構系統從開(kāi)始破壞到最終倒塌有相當長(cháng)的時(shí)間，并且在這一過(guò)程如果外界災害作用停止，則整體結構系統破壞過(guò)程也停止，不會(huì )在短時(shí)間內繼續發(fā)展，結構系統可以維持其整體狀態(tài)，因而能夠保證建筑內的人員逃離。文獻[7]將結構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穩定的破壞過(guò)程，且有利于充分發(fā)揮結構系統中各個(gè)部分的能力，是比較理想的破壞模式。文獻[7]提出了
    在結構設計中保證整體型破壞模式的思路，并指出其關(guān)鍵在于正確認識結構系統的層次性并使構件功能及其安全儲備與它們的重要性相匹配。
    　　結構系統的魯棒性與整體穩定性實(shí)際上是一個(gè)問(wèn)題從不同角度的表述，前者描述結果，后者描述過(guò)程。因此，增強結構系統魯棒性與穩定性的設計思路與途徑是統一的。
    　　除此之外，建筑結構系統成立的前提條件是構件之間的相互作用。如果在地震作用下，建筑結構系統可輕易地解體為單個(gè)構件，則上述結構系統的整體性也無(wú)從談起。因此，結構系統的整體牢固性是實(shí)現上述魯棒性和整體穩定性的前提，也即建筑結構系統應注重構件之間的連接構造，保證結構構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(shí)現結構系統的整體抗震能力目標。
    　　盡管整體牢固性是實(shí)現上述魯棒性和整體穩定性的前提，但結構系統的魯棒性和整體穩定性屬于整體結構系統層面的概念，與整體牢固性仍然具有不同的意義。比如，底框結構，可能底框柱與上部結構的連接構造措施很牢固，但由于這個(gè)結構系統屬于局部型破壞機制，結構的整體抗震能力仍然不好。因此，結構系統的魯棒性、整體穩定性和整體牢固性是保證結構系統整體抗倒塌能力不可或缺的三個(gè)方面。
    　　3.2 結構系統的安全儲備
    　　雖然建筑結構系統從建成伊始便是作為一個(gè)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，建筑結構系統整體性的作用和意義并未得到充分體現，各個(gè)構件都處于正常工作狀態(tài)，基本如同積木式結構的工作狀態(tài)。只有在強烈的外界作用下（如罕遇地震等極端災害），構件與構件之間的相互作用的強烈非線(xiàn)性特征，建筑結構系統的整體性才在保證整個(gè)結構系統安全中體現出其意義和
    價(jià)值。
    　　圖11 用結構的側向荷載-位移曲線(xiàn)表示結構系統在水平地震作用下的行為。圖中B 點(diǎn)為結構系統的宏觀(guān)屈服點(diǎn)，屈服點(diǎn)前后結構系統的整體剛度發(fā)生明顯的變化。圖中D 點(diǎn)為倒塌前后的臨界點(diǎn)，稱(chēng)為“倒塌點(diǎn)”。倒塌點(diǎn)的定義目前還沒(méi)有統一的結論，本文從結構整體穩定性角度來(lái)定義“倒塌點(diǎn)”，認為在水平作用停止，結構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(xiàn)，則沒(méi)有倒塌；但如果撤去水平作用，結構在其自重作用下變形進(jìn)一步加大而無(wú)法控制，即圖11 中DF 段曲線(xiàn)，則結構倒塌。兩種狀態(tài)的臨界點(diǎn)即為結構的倒塌點(diǎn)。

    　　在“小震不壞”的設計階段，為了保證結構不進(jìn)入屈服，規范考慮到正常情況下可能的各種隨機因素與結構安全儲備，設定了低于屈服點(diǎn)B 的“小震設計點(diǎn)”，如圖11 中的A 點(diǎn)。在這一階段，結構的安全儲備主要由各個(gè)構件的承載力安全儲備保證，即在數值上等于安全儲備最小的構件的承載力安全儲備。這種安全儲備可以稱(chēng)為結構系統的“基本承載力安全儲備”，如圖11 中A 點(diǎn)與B 點(diǎn)之間的承載力富余程度。其工程意義在于保證結構系統滿(mǎn)足正常使用狀況下的安全和適用性能需求。
    　　在“大震不倒”的設計階段，為了保證結構在實(shí)際地震中不發(fā)生倒塌，應該在倒塌點(diǎn)D 之前合理設定“大震不倒設計點(diǎn)”，如圖11 中的C 點(diǎn)。在我國現行規范中，大震不倒設計點(diǎn)C 點(diǎn)對應于結構彈塑性層間位移要求，比如對RC 框架和多高層鋼結構要求彈塑性層間變形不得超過(guò)1/50?！暗顾c(diǎn)”是客觀(guān)存在的狀態(tài)，而大震不倒設計點(diǎn)是考慮安全儲備與各種隨機因素，按照人為設定的“大震”等級進(jìn)行設計計算的狀態(tài)。事實(shí)上，從“大震不倒設計點(diǎn)C”到“倒塌點(diǎn)D”之間，結構可能并未倒塌，而是破壞的嚴重程度不同。
    　　結構系統作為一個(gè)整體，其屈服表現為系統中的某些構件的屈服甚至破壞，這時(shí)整體結構的安全儲備既與構件的安全儲備相關(guān)，但又不完全取決于構件的安全儲備而是取決于取決于結構系統中所有構件在承載力、延性、耗能能力等各個(gè)方面儲備的合理分布與等級層次。因此，結構系統的安全儲備只有在結構系統整體的層次上才能表現出來(lái)，稱(chēng)為“整體安全儲備”，對應于圖11 中B 點(diǎn)與C 點(diǎn)之間的富余程度。目
    前，通過(guò)對結構整體進(jìn)入彈塑性的計算分析，可以得到結構的整體安全儲備，目前震規范只要求重點(diǎn)工程進(jìn)行計算，但對一般房屋建筑結構，還需要進(jìn)一步開(kāi)展研究，發(fā)展簡(jiǎn)化實(shí)用的計算，使得能夠把握一般房屋建筑結構的“整體安全儲備”水平。
    　　當結構遭遇設計時(shí)沒(méi)有考慮的意外作用（如巨震）時(shí)，結構狀態(tài)可能超越C 點(diǎn)。這時(shí)，圖11 中C 點(diǎn)與D 點(diǎn)之間的部分對于保證結構不倒塌具有決定性的作用。這部分儲備目前難以通過(guò)計算手段加以確定，可以稱(chēng)為“意外安全儲備”，主要取決于結構系統的魯棒性、整體穩定性和整體牢固性，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范中的“大震不倒設計點(diǎn)”C 點(diǎn)，如果在規定的大震水平作用下，結構響應不超過(guò)C 點(diǎn)，則可以保證結構不發(fā)生倒塌；另一方面，由于地震發(fā)生的高度不確定性，建筑結構有可能遭遇比按規范設定的“大震”等級更大的巨震（比如，這次汶川地震，汶川和北川為7 度抗震設防地區，設計大震為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(lèi)情
    況，如1966 邢臺地震：設防7 度，實(shí)際10 度；1975 海城地震：設防6 度，實(shí)際9~11 度；1976 唐山地震：設防6 度，實(shí)際11 度）。因此，在遭遇實(shí)際地震情況下，結構狀態(tài)可能超過(guò)大震設計點(diǎn)。這時(shí)就需要研究如何使得結構的倒塌臨界點(diǎn)D 點(diǎn)盡量推遲。
    　　當結構狀態(tài)超越屈服點(diǎn)B 點(diǎn)，接近“大震不倒設計點(diǎn)”C 點(diǎn)，甚至超越C 點(diǎn)時(shí)，結構構件之間非線(xiàn)性作用非常強烈，有些構件已經(jīng)屈服甚至退出工作，結構整體性對于保證結構系統的功能至關(guān)重要。因此在些階段，應重點(diǎn)研究結構整體性，努力提高結構系統的魯棒性、穩定性與整體牢固性。另外，在“大震設計點(diǎn)”C 點(diǎn)之前，尚可以通過(guò)統計方法大體確定隨機因素的影響，確定結構的安全儲備；一旦超越C 點(diǎn)，結構狀態(tài)與地震作用都將無(wú)法統計或無(wú)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(guò)抗震規范的“大震設計點(diǎn)”，有些并未倒塌，而有些則倒塌。盡管超過(guò)“大震設計點(diǎn)”可能也會(huì )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(shuō)，“大震設計點(diǎn)”后結構系統的抗震性能主要取決于結構系統的魯棒性、整體穩定性和整體牢固性，也即結構系統“倒塌點(diǎn)D”與“大震設計點(diǎn)
    C”之間的“意外安全儲備”大小。因此，增強結構系統的魯棒性、整體穩定性和整體牢固性，是提高結構的抗倒塌能力具的基本思想。

    　　綜上所述，對于一般建筑結構的抗震設計，目前設計規范只明確了基本安全儲備，而結構系統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(shí)際設計中有經(jīng)驗的工程師會(huì )憑借其豐富的經(jīng)驗和智慧合理發(fā)揮規范的抗震構造措施來(lái)實(shí)現結構系統的整體安全儲備與意外安全儲備。但由于規范目前對結構系統的整體安全儲備與意外安全儲備沒(méi)有明確規定，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范，不留任何余地，這固然有規范不夠完善的地方，但這樣的做法實(shí)際上是不具備工程師的基本素質(zhì)的。
    　　在磚混結構中，磚墻是主要承力構件，容易發(fā)生脆性破壞，破壞過(guò)程不穩定，且承重墻之間的連接容易被忽視，導致結構系統整體牢固性不良。圈梁與構造柱形成的整體受力框架可以為承重墻提供約束與連接，是提高結構系統的魯棒性、穩定性和整體牢固性，有效提高增加結構意外安全儲備的關(guān)鍵。然而，意外安全儲備與傳統設計中經(jīng)常關(guān)注的基本安全儲備分別來(lái)自不同的構件，使得磚混結構的整體性容易被設計、施工與管理人員忽視，為這類(lèi)結構在地震中的安全性埋下隱患，成為磚混結構抗震能力不足的最大問(wèn)題。上文中提到的框架結構在震害中表現出的“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。梁、柱的承載力級差，構件彎、剪承載力的級差，都只有在結構進(jìn)入屈服，構件發(fā)生破壞以后才能體現出來(lái)，而在基本安全儲備階段無(wú)法體現?？梢?jiàn)，現行設計規范與設計理論中在
    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(gè)方面對結構系統的“整體安全儲備”和“意外安全儲備”進(jìn)行討論，以期提高我國建筑結構的整體抗震性能。
    　　4 提高建筑物抗倒塌能力的方法
    　　本文以下分別從完善結構整體安全儲備的第二階段“大震不倒”抗震設計方法，以及從結構抗震體系和結構整體性?xún)煞矫?，對“大震不倒設計點(diǎn)”后增加結構意外安全儲備和提高建筑物抗倒塌能力方法進(jìn)行討論。
    　　4.1 完善第二階段抗震設計方法
    　　目前，我國房屋建筑采用三水準抗震設防目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，并采用二階段設計方法予以實(shí)現。第一階段為按小震進(jìn)行抗震計算設計，這部分已經(jīng)比較成熟，主要解決結構系統的基本安全儲備。但對于第二階段設計，由于結構抗地震倒塌的計算分析難度很大，目前我國抗震規范只對重要建筑有比較具體的大震驗算規定，對一般建筑主要是通過(guò)采用合理的結構體系和采取抗震措施實(shí)現“大震不倒”。
    　　抗震措施和構造是地震震害研究、試驗研究和理論分析的成果。由于大震下結構倒塌問(wèn)題的復雜性，現有研究成果很有限，目前我國抗震規范關(guān)于大震不倒的抗震措施還需要進(jìn)一步完善，有必要通過(guò)總結震害特征、對建筑典型震害的實(shí)驗再現與理論分析，進(jìn)一步研究結構抗倒塌的設計方法和具體措施，在抗震規范中給出抗倒塌設計的具體規定。如日本1981 年后執行的建筑基準法，規定31m 以上的建筑均需進(jìn)行
    按第二階段進(jìn)行抗震設計，所采用的方法包括：結構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(shí)程分析方法?？梢?jiàn)，日本要求進(jìn)行第二階段抗震計算的建筑范圍比我國規范大，而且有相應的配套的實(shí)用計算方法，便于設計人員具體應用。因此，建議進(jìn)一步開(kāi)展建筑結構抗地震倒塌設計方法研究，完善我國規范第二階段設計方法的具體規定，擴大第二階
    段設計的應用范圍。
    　　關(guān)于第二階段設計方法，應結合結構抗震倒塌機制分析，開(kāi)展建筑結構倒塌模式的研究。針對大震下結構整體安全儲備目標，應在設計中控制結構的倒塌模式，使之存在不易倒塌的區域（如衛生間和樓梯），盡量保證建筑物內人員可以及時(shí)逃離，或為無(wú)法及時(shí)逃出的人員提供局部生存空間，等待外部人員的救援。
    　　4.2 重視結構體系與選型
    　　合理的結構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，結構形式不合理、結構布置不規則，未有效設置圈梁好構造柱的砌體結構，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(xué)樓。這類(lèi)建筑結構體系的抗震能力先天不足，再加上沒(méi)有采取起碼的抗震構造措施（未設置圈梁、構造柱，樓板沒(méi)有拉結）和粗糙的施工質(zhì)量，才釀成如此嚴重的后果。
    　　根據系統科學(xué)方法的思想，結構的抗震能力，首先取決于結構系統的設計，即結構抗震體系的問(wèn)題，其次是抗震構造措施，最后才是具體的抗震計算的問(wèn)題。然而，在工程實(shí)踐中，由于結構抗震體系和結構形式很多，無(wú)法簡(jiǎn)單的用規范條文做出規定，同時(shí)我國在建筑結構體系的工程教育方面長(cháng)期存在一些問(wèn)題，以至于工程師們只會(huì )死摳設計規范，并盡量用足規范的限制，不過(guò)分的說(shuō)，就是盡量鉆規范的空子，盡管規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范，而應憑借自己的基本結構概念好對工程負責的態(tài)度進(jìn)行設計（規范也要明確規定，按規范設計不能免除設計者的法律責任）。在這次震害調查中，綿陽(yáng)市有位會(huì )用規范的“大膽”工程師，其設計的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“重構件，輕結構”的抗震設計方法的危害。為此，有必要深刻總結地震震害經(jīng)
    驗，吸取震害教訓，強化抗震規范中關(guān)于結構體系與選型方面的指導性條文，進(jìn)一步大力完善我國的建筑規范體系，逐漸改變目前基于構件的規范條文體系和工程教育傳統，建立立足于結構系統整體性的思想和規范體系，可以適當參考國外抗震規范中的成功經(jīng)驗，如日本規范通過(guò)偏心率和剛度率的具體規定明確了對結構體型的要求。
    　　另一方面，我國目前對結構選型和結構方案設計的審查力度還有待改進(jìn)。建筑抗震設計審查應在重點(diǎn)針對結構抗震體系的合理性審查的基礎上進(jìn)行，而不是僅僅按規范條文逐條審查。調整并健全專(zhuān)業(yè)規范與相關(guān)法律法規之間的關(guān)系，突出規范的專(zhuān)業(yè)性與權威性，弱化其法規性。同時(shí)，為避免建筑師任意采用復雜不規則的建筑造型，給結構抗震設計造成困難，應規定建筑師和工程師共同對建筑結構安全擔負責任。
    　　需要指出的是，近年來(lái)我國建筑設計出現的了追求新奇特的趨勢，造成大量不利于抗震的極不規則的建筑。建筑界的這種傾向會(huì )顯著(zhù)增加建筑抗震設計的難度，也會(huì )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(zhù)名建筑大多不是以新奇特取勝，這一點(diǎn)值得我國建筑師認真反思。
    　　4.3 重視對結構系統整體性的研究
    　　建立基于結構系統整體性的規范體系，就必須從系統科學(xué)方法的高度，重視結構系統的整體性、魯棒性、穩定性和牢固性的研究。而結構系統的整體性、魯棒性、穩定性和牢固性正是使結構在極端災害作用下保證安全的基本屬性。
    　　結構應被看作是由不同構件有機組織而成，構件與構件之間，構件與結構之間互相依賴(lài)、互相影響的一個(gè)系統。根據系統科學(xué)，安全可靠的構件并不一定意味著(zhù)安全可靠的結構。當構件之間的組織關(guān)系不利結構系統整體性能目標時(shí)，結構將表現出易損性，極端的例子便是連續性倒塌，結構局部的破壞迅速擴散并導致與原因不相稱(chēng)的后果。沒(méi)有圈梁和構造柱的砌體結構恰恰屬于這種類(lèi)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構中的主要承重構件。砌體墻某處一旦發(fā)生脆性破壞，巨大的內力重分布很容易在結構中引發(fā)連續性破壞，進(jìn)而導致整個(gè)結構系統的短時(shí)間內連續性垮塌，預制樓板與樓體的不良連接更加劇了整個(gè)結構的整體倒塌。
    　　然而另一方面，只要構件組織合理，能夠形成有序的受力層次與破壞序列，就可以實(shí)現高魯棒性的結構系統。圈梁、構件造的重要意義就在于此。它們并不僅能顯著(zhù)提高磚墻的承重能力，更重要的是顯著(zhù)增強了結構的整體性，使之由易損性轉變?yōu)轸敯粜?。圈梁和構造柱通過(guò)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，并減小了結構短時(shí)間內快速解體的可能性。這種對結構系統抗震能力具有
    質(zhì)變的提高，不是通過(guò)提高砌體強度和砂漿強度等量變措施可以達到的，它也恰恰體現了結構系統整體性研究的必要性。
    　　從利用結構整體性的角度講，提高結構抵御災害的能力并不一定要大幅提高結構的承載力安全儲備而導致大幅增加建設成本。恰恰相反，只要深入研究結構系統，合理利用結構系統的整體性，完全可以通過(guò)少量的抗震設計或構造措施（如設置構造柱、圈梁、樓板拉結等），顯著(zhù)提高結構的抗震性能。這符合我國鄉鎮、農村的經(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構的問(wèn)題，建議在總結這次震害中表現良好砌體結構的成功做法，吸取破壞嚴重甚至完全倒塌砌體結構的經(jīng)驗教訓的基礎上，就如何提高砌體結構的整體性與抗倒塌能力，開(kāi)展進(jìn)一步的細致研究，提出可靠的、且切實(shí)可行的砌體結構抗倒塌設計方法和構造措施。與此同時(shí)，也應加大對其他結構體系的整體性與抗倒塌能力問(wèn)題的研究投入，為
    建立基于結構整體系統的規范體系打好基礎。實(shí)現在巨震下人員可逃的結構不倒的目標。
    　　五、結語(yǔ)
    　　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象，討論了提高建筑物抗倒塌能力的設計思想。主要結論如下：
    　　(1) 建筑結構系統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(gè)層次。其中基本安全儲備是構件層次的安全儲備，整體安全儲備和意外安全儲備是系統整體層次上的安全儲備?，F行結構設計規范更多關(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) 結構系統在可預計的多遇荷載作用下的安全性可以通過(guò)基本安全儲備加以保障，而其抵御災害的能力則依賴(lài)于結構系統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構震害嚴重的主要原因之一。
    　　(3) 結構系統的意外安全儲備主要來(lái)自其魯棒性、穩定性和整體牢固性。其中整體牢固性是保證結構系統具有整體性的前提，它要求結構構件之間具有恰當而可靠的連接。魯棒性和穩定性則可以使結構系統趨向于有利的整體性結果。魯棒性要求結構系統不因局部受損而發(fā)生與原因不相稱(chēng)的破壞；穩定性要求結構系統的破壞過(guò)程具有多個(gè)層次，各個(gè)層次能夠有效地控制損傷擴散的次序與程度。
    　　(4) 建議從結構第二階段抗倒塌設計、結構體系和結構系統整體性三個(gè)方面進(jìn)一步開(kāi)展深入的研究，完善我國現行規范，特別是應加強這方面的工程結構教育，提高我國建筑結構的抗倒塌能力的設計水平。
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    [10] 日本建筑基準法，1981
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