浅谈我国建筑抗震及展望

浅谈我国建筑抗震及展望牛开亮（中国矿业大学力建学院，江苏徐州02100772）摘要：本文从我国地震概况及地震发生事件论述了我国进行抗震设防的必要性及背景，结合我国抗震的实际情况简要叙述我国在建筑抗震方面所取得的成就与发展，在此基础上分别从我国建筑抗震相关规定、抗震设计理论及高层建筑抗震设计三个方面着重对建筑抗震进行了详细的阐述，并提出提升我国抗震设防质量的举措，最后对我国的建筑抗震提出了未来的发展方向及其展望。关键词：地震；抗震设计；抗震措施；抗震展望一、我国建筑抗震背景我国是个多地震国家，存在着的五个主要地震区包括：青藏高原地震区、华北地震区、新疆地震区、台湾地震区和华南地震区。青藏高原地震区是我国最大的一个地震区，也是地震活动最强烈、大地震频繁发生的地区，这次512四川汶川大地震就在该区；华北地震区的地震强度和频度仅次于青藏高原地震区，位居全国第二，而且该地区是人口密集、大城市集中、政治和经济、文化、交通都很发达的地区，地震灾害的威胁极为严重；新疆地震区的强烈地震较多，也较频繁，但多数地震发生在山区，造成的人员和财产损失与我国东部几条地震带相比要小许多；台湾地震区不断发生强烈破坏性地震也是众所周知的；华南地震区历史上也曾发生过较高震级的地震，但最近几百年没有发生过很大的地震。国家汶川地震专家委员会委员、中科院院士滕吉文建议灾区重建建筑地震烈度设防提高到9度。根据现行的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，我国主要城镇的抗震设防烈度仅在6度到9之间，此次受灾严重的汶川、北川等地则处于7度抗震设防区，然而却遭到了高达相当于11-12度的地震灾害。重大的灾难有时能带给人们更多的经验和教训。专家认为，在上述五个主要地震区，尤其是人口密集的地区，抗震设防烈度至少应该提高一个烈度来设防。我们正在构建和谐社会，倡导以人为本，所以要加大投入成本，提高设防烈度，尽可能的保障生命安全。以下是我国建国以来较大（7级以上）部分地震灾害及建筑物受地震破坏的统计详细状况表时间地点震级概述2008年05月12日四川汶川8.0级汶川大地震遇难人数及失踪人数总和超过87000人，造成直接经济损失8451亿，在这些损失中，建筑物和基础设施的损失确实很大，占到了总损失的7成。1988年11月06日云南澜沧耿马7.6级1988年11月6日21时3分、21时16分，云南省澜沧、耿马分别发生7.6级和7.2级地震，共造成743人死亡。1976年07月28日河北唐山7.8级震中位置位于唐山市区。这是中国历史上一次罕见的城市地震灾害。顷刻之间，一个百万人口的城市化为一片瓦砾，人民生命财产及国家财产遭到惨重损失。北京市和天津市受到严重波及。地震破坏范围超过3万平方公里，有感范围广达14个省、市、自治区，相当于全国面积的1/3。地震共造成24.2万人死亡，二、我国建筑抗震的发展1．制定和建立了工程抗震防灾技术标准体系唐山地震之后的30年，尤其改革开放以来，随着我国国民经济的发展，城市建设工程日益增多，我国的建设行政主管部门尽快制定和出台了以《建筑抗震设计规范》等抗震设计标准，并不时进行修订。目前，主要的标准有《建筑抗震设计规范》、《构筑物抗震设计规范》、《室外给排水和燃气热力工程抗震设计规范》、《建抗震设防分类标准》、《建筑抗震鉴定标准》、《室外给排水工程设施抗震鉴定标准》、《室外燃气热力工程设施抗震鉴定标准》、《工业构筑物抗震鉴定标准》、《铁路工程抗震设计规范》、《电力设施抗震设计规范》、《核电厂抗震设计规范》。对超限高层抗震设防还进行专项审查，同时正在制定或即将出台的有《城市抗震防灾规划编制标准》、《城市抗震防灾规划技术标准》，《村镇综合防灾规划标准》、《村庄与集镇防灾规划标准》和《村镇建筑抗震技术规程》等，各行业、各地方也都有相应的行业标准和地方标准。这些抗震技术标准的制定，对我国的抗震减灾工作起到了重要作用。2．进行了抗震防灾工作的法制建设1989年颁布了《中华人民共和国城市规划法》，特别是1997年由全国人大常委会通过的《中华人民共和国防震减灾法》，以此为据，我国的中央政府和建设行政主管部门先后定了相应的法律法规和部门规章，如《建设工程质量管理条例》、《建设工程勘察设计管理条例》、《建设工程施工图设计文件审查暂行办法》、《房屋建筑工程抗震设防管理规定》等。目前，正在组织力量进行《市政基础设施工程抗震设防管理规定》和《建设工程抗御地震灾害管理条例》编制和调研工作。随着我国综合国力的提高，抗震防灾工作将会跃上一个新的台阶，为我们营造安全和谐的社会奠定坚实基础3．城市综合防灾减灾体系初步建立防灾减灾，规划先行，我国已在近700个大中小城市开展了抗震防灾规划的编制工作。抗震防灾规划编制由城市推广到区域范围，如京西北（包括北京、天津、河北、山西、内蒙等省区）和苏南（包括南京、苏州、无锡等城市）等完成了综合防御体系；另一方面，在大中型工矿企业，如石油、化工、冶金、铁路、电力等结合企业自身的特点，开展了企业抗震防灾规划的编制工作。4.建筑抗震技术的发展4.1砌体房屋抗震技术16.4万人受重伤，仅唐山市区终身残废的就达1700多人；毁坏公产房屋1479万平方米，倒塌民房530万间；直接经济损失高达到54亿元。1950年8月15日西藏察隅县8.5级1950年8月15日22时9分34秒，西藏察隅县发生8.5级地震，造成4000人死亡，喜马拉雅山几十万平方公里大地瞬间面目全非：雅鲁藏布江在山崩中被截成四段；整座村庄被抛到江对岸。1975年02月04日辽宁海城7.3级极震区面积为760平方公里。这次地震发生在人口稠密、工业发达的地区，是该区有史以来最大的地震。地震造成29579人，其中2041人死亡，城镇房倒塌及破坏约500万平方米，公共设施损坏165万平方米，农村房屋毁坏1740万平方米，城乡交通、水利设施破坏2937个，各种设备、物资也遭到严重损失，总计约8.1亿元。对砌体结构的破坏机理提出了以剪摩理论为基础的理论及同时考虑剪切和拉裂作用的理论为基础的强度验算方法，总结唐山大地震的教训，提出圈梁-构造柱体系，增强了砌体结构的延性性能和抗倒塌能力。对设置R.C构造柱或低矮剪力墙砌体结构、底部框架上部砌体结构等进行试验研究，提出了抗震强度验算方法和抗倒塌技术措施。随着“限实禁实”政策的实施，发展了以砌块为主的约束与配筋砌体结构体系。4.2钢筋混凝土结构抗震技术对剪力墙结构、框架、框架一剪力墙、简体结构、底层大空间框支结构进行试验研究，从单个构件，节点、局部结构大比例模型到大、小比例整体结构模型试验，研究钢筋混凝土结构受力和变形特征及破坏机理；在理论计算上考虑了结构不对称、偶然偏心和空间作用，考虑弹塑地震反应的时程法分析，小震下的结构强度和变形验算，大震下的结构累积损伤和防倒塌验算；在抗震设计方面提出了三个水准的设防原则，重视结构概念设计和构造措施；发展了钢筋混凝土结构、尤其是高层建筑的抗震设计应用软件。4.3隔震、减震与结构控制技术建筑抗震从消极被动的“抗”到积极主动的“隔、消、控制”是抗震理念的一次飞跃。所谓隔震技术是利用橡胶、有机材料等具有足够初始刚度、较大阻尼而又允许较大侧向变形的材料将结构与基础隔离。在正常情况下或轻微地震作用下正常使用，大地震发生时能有效地隔绝地面运动，降低结构地震反应加速度60%以上。结构消能减震技术是在结构的某些部位设置消能支撑（阻尼器），在风荷载和小地震作用下，这些阻尼器处于刚弹性状态，使结构具有足够的抗侧力刚度以满足正常使用要求。而在强震作用下，阻尼器率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗地震能量，使主体结构避免进入明显的非弹性状态而得到保护。5.现有建筑抗震鉴定与加固技术唐山地震以前，我国大多数地震区的房屋和工程设施没有抗震设防，唐山大地震后，对这些房屋和工程设施的鉴定和加固成为一项刻不容缓的任务。我国建立了抗震鉴定及加固的基本管理体制，制定了主要着眼于安全的技术标准TJ23-77，在国家计划的统一安排下，7度及以上抗震设防地区完成了一批现有建筑的鉴定和加固；抗震鉴定采用计算鉴定和构造鉴定两方面，并提出了多层砖房面积率计算的简化抗震验算方法；抗震加固提出了提高强度、提高变形能力和加强整体性的三个目标，以圈梁、外加构造柱、夹板墙和钢构套等四大法宝为基本手段，形成了增强自身法、外包加固法、外加构件法和替换法等基本加固方法。6.建筑抗震试验技术的发展唐山地震后，国家投入了大量资金在科研机构、高等院校中建立了一批试验室，为我国抗震规范的编制、抗震设计理论研究、重大工程建设项目技术咨询做了大量的工作，成为我国工程抗震技术进步的重要支撑。在试验方法上发展了拟静力加载、拟动力加载及振动台模拟地震三大试验技术，对模型试验的相似关系、加载模式、试验技术及试验设备开发诸方面都进行了深入的研究。三、我国建筑抗震设计1.建筑抗震设计相关规定1．1建筑等级划分抗震设防的所有建筑应按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223确定其抗震设防类别及其抗震设防标准。○1甲类建筑：使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。○2乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。地震破坏后会产生较大社会影响或造成相当大的经济损失，包括城市的重要生命线工程和人流密集的多层的大型公共建筑等。○3丙类建筑：除了甲乙丙类以外的建筑，通常的民房是这类建筑。○4丁类建筑：使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑，其地震破坏不致影响甲、乙、丙类建筑，且社会影响和经济损失轻微。一般为储存物品价值低、人员活动少、无次生灾害的单层仓库等。1.2抗震设防类别建筑的抗震设防标准中国建筑的抗震设防，是以抗震设防烈度作为标准的，简言为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。①甲类建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定。抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应按比9度抗震设防更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。当建筑场地为Ⅰ类时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；②乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。同时，应按不低于本地区抗震设防烈度确定其地震作用。③丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用。当建筑场地为I类时，除6度外，应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施.按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级烈度，按调整后的抗震等级烈度。④丁类建筑，一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。2.建筑抗震设计的理论2.1拟静力理论拟静力理论是20世纪10~40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数（地震系数）。2．2反应谱理论反应谱理论是在加世纪40~60年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。2.3动力理论动力理论是20世纪70－80年广为应用