摘要：針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，從系統(tǒng)科學(xué)角度入手，總結(jié)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震能力有重要影響的要素，并以此為基礎(chǔ)提出幾條優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為提高建筑綜合設(shè)計(jì)水平提供參考。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；抗震能力；設(shè)計(jì)方法
抗震是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但目前的抗震設(shè)計(jì)還存在一些問(wèn)題，仍將重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)和計(jì)算方面，這使得我國(guó)很多建筑都不具備合格的抗震能力。因此，需要對(duì)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，以探討有效的設(shè)計(jì)方法。
1基于系統(tǒng)可續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)抗震能力要素分析
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)科學(xué)概念的了解得出，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，其功能主要和它的整體性有關(guān)。而整體性則是系統(tǒng)方法的目標(biāo)與核心所在，可將其簡(jiǎn)單理解成整體和各部分的總和不相等。從建筑結(jié)構(gòu)這一系統(tǒng)角度講：①系統(tǒng)功能賦予了構(gòu)件功能，如果構(gòu)件脫離整體，則它將失去在整體中具有的功能；②構(gòu)件還會(huì)對(duì)整體功能產(chǎn)生影響，如果整體中有構(gòu)件脫離，則整體將失去一些功能，而且這些失去的功能并不一定等于構(gòu)件具有的功能，可大可小。因系統(tǒng)組成十分復(fù)雜，所以構(gòu)件組成及相互作用決定了整體功能。比如兩個(gè)構(gòu)件完全相同，但組合不同的系統(tǒng)，其往往具有完全不同的整體性和功能。若由于構(gòu)件間的依賴增強(qiáng)了系統(tǒng)功能損失，也就是構(gòu)件損壞及其造成的整體破壞無(wú)法相稱，則直接減弱系統(tǒng)抗震能力，屬于最不利的系統(tǒng)整體性，即易損性[1]。從結(jié)構(gòu)抗震角度講，雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行抗震研究，但因地震作用十分復(fù)雜，不僅有幾率發(fā)生大震，而且地震產(chǎn)生后的實(shí)際作用不可能和設(shè)計(jì)計(jì)算完全一致。如果遭到破壞性地震的作用，則結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件會(huì)因?yàn)槌休d能力超出限度而損壞；此時(shí)，若破壞的構(gòu)件不斷導(dǎo)致其它構(gòu)件出現(xiàn)損壞，則認(rèn)為該結(jié)構(gòu)具有較大的易損性。相對(duì)于易損性的則是有利整體，在合理的組織與設(shè)計(jì)下形成結(jié)構(gòu)，可充分利用構(gòu)件間彼此影響和依賴，減少在地震作用下發(fā)生的損失，也就是部分構(gòu)件被地震破壞后不至于導(dǎo)致其它構(gòu)件損壞，該特性即魯棒性�？蓪⑵渲庇^表達(dá)為減法整體性，即3減1的結(jié)果比2大。對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)這一系統(tǒng)，其對(duì)地震作用的抵抗有特殊意義，而且還有很多能增強(qiáng)魯棒性的措施，包括增加冗余度和明確功能類型等。魯棒性還具有反映一個(gè)系統(tǒng)的整體性的特殊功能。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，相關(guān)專家也經(jīng)常使用整體牢固性或者是整體穩(wěn)定性來(lái)進(jìn)行描述。從系統(tǒng)方法角度講，穩(wěn)定性意義特殊，而對(duì)整體牢固性而言，它又是一個(gè)和工程十分接近的術(shù)語(yǔ)�；诖耍韵聦⒁韵到y(tǒng)科學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，明確以上三種特性的概念[2]。魯棒性主要描述的是結(jié)構(gòu)在遇到意外時(shí)，如果結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件出現(xiàn)損壞，則其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的影響或破壞程度。整體穩(wěn)定性主要描述結(jié)構(gòu)損傷具體過(guò)程。這里提到的穩(wěn)定性，主要是指廣義上的穩(wěn)定性。由于受到地震作用，結(jié)構(gòu)從最初的完好狀態(tài)開始，先后經(jīng)歷局部破壞、破壞加劇、倒塌失穩(wěn)等過(guò)程。若局部破壞至倒塌失穩(wěn)的過(guò)程為突變過(guò)程，則倒塌將很難進(jìn)行預(yù)測(cè)與孔子和。鑒于此，結(jié)構(gòu)損傷要表現(xiàn)成有序而穩(wěn)定的過(guò)程，圖1結(jié)構(gòu)抗側(cè)行為曲線并且要能分解成若干工作階段，所有階段都要有其特定的機(jī)制，同時(shí)可以充分發(fā)揮每一種構(gòu)件的變形能力與承載力，確保受力狀態(tài)與各項(xiàng)性能能夠進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種破壞過(guò)程能使系統(tǒng)由最初的破壞到最后的倒塌具有很長(zhǎng)一段時(shí)間，而且一旦地震作用在此過(guò)程停止，則破壞也會(huì)立刻停止，人員有足夠的時(shí)間逃生。在框架結(jié)構(gòu)中，抗震設(shè)計(jì)注重的強(qiáng)柱弱梁正是這種破壞模式。雖然這并不表示此類結(jié)果不會(huì)倒塌，但在梁鉸的形成過(guò)程中，要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間，所以與屈服機(jī)制相比，具有較強(qiáng)抗倒塌的能力[3]。另外，形成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是構(gòu)件有一定相互作用。當(dāng)受到地震作用時(shí)，若結(jié)構(gòu)能解體成單個(gè)構(gòu)件，則以上提到的整體性將失去意義。基于此，整體牢固性具有重要意義，是整體穩(wěn)定性與魯棒性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)前提，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是只有構(gòu)件合理、牢固連接，才能發(fā)揮相互作用，提高結(jié)構(gòu)抗震能力。雖然如此，但整體穩(wěn)定性與魯棒性仍然是系統(tǒng)層面的重要性能，這和整體牢固性是完全不同的。通過(guò)上述分析得出，魯棒性與整體的牢固性與穩(wěn)定性是提高整體抗震能力的關(guān)鍵要素。
2建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法
2.1切實(shí)加強(qiáng)“第二階段”設(shè)計(jì)
國(guó)內(nèi)建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)依然是三水準(zhǔn)，即為：小震作用后不破壞、中震作用后可修理、大震作用后不倒塌，在此基礎(chǔ)上輔以二階段設(shè)計(jì)確保目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。其中，第一階段主要是按照小震開展設(shè)計(jì)與計(jì)算，重點(diǎn)處理安全儲(chǔ)備方面的問(wèn)題（結(jié)構(gòu)的抗側(cè)行為如圖1所示），在這一方面現(xiàn)階段已經(jīng)十分成熟。第二階段以抗倒塌設(shè)計(jì)為主，因計(jì)算和分析都有很大的難度，所以只是對(duì)重要建筑提出了詳細(xì)規(guī)定，普通建筑采用可行抗震方法實(shí)現(xiàn)大震作用后不倒塌即可。雖然這些方法對(duì)廣大設(shè)計(jì)人員有一定啟示，但由于這些方法普遍具有可操作性差的弊端，不如直接開始第二階段的設(shè)計(jì)。基于此，需對(duì)普通建筑設(shè)計(jì)與計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)化。從建筑的框架結(jié)構(gòu)角度講，我國(guó)主要采用的是以柱梁受彎承載力比為基礎(chǔ)對(duì)強(qiáng)柱弱梁進(jìn)行控制，其最大的不同點(diǎn)是，這一指南強(qiáng)調(diào)按照強(qiáng)柱弱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以此保證這種機(jī)制順利實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上述分析內(nèi)容，采用以屈服機(jī)制為核心的分析方法，能幫助設(shè)計(jì)人員了解結(jié)構(gòu)倒塌與損壞機(jī)制，從而判斷各類構(gòu)件的重要程度、承載力與變形能力需求，同時(shí)根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)置不容易產(chǎn)生倒塌現(xiàn)象的區(qū)域，確保人員能夠快速撤離。
2.2注重結(jié)構(gòu)體系和選型
抗震體系與結(jié)構(gòu)形式科學(xué)合理是提高建筑抗震能力的重要基礎(chǔ)。如果建筑的結(jié)構(gòu)形式較差，或沒(méi)有設(shè)置構(gòu)造柱，則這種建筑可能是嚴(yán)重缺乏抗震能力，加之施工質(zhì)量難以保證，所以有可能造成嚴(yán)重后果。以系統(tǒng)科學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力而言，其決定性作用的首先是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也就是抗震體系，其次則為抗震構(gòu)造，最后才與抗震計(jì)算有關(guān)。但是，從實(shí)踐中看，因結(jié)構(gòu)形式與抗震體系眾多，難以滿足規(guī)定，加之我國(guó)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)體系的教育始終以構(gòu)件為主，忽視結(jié)構(gòu)體系，所以結(jié)構(gòu)師一般不會(huì)從整體角度對(duì)規(guī)范進(jìn)行理解與應(yīng)用。針對(duì)這些問(wèn)題，需要對(duì)建筑的震害經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，吸取教訓(xùn)，提出結(jié)構(gòu)體系和選型的指導(dǎo)依據(jù)，構(gòu)建直接針對(duì)系統(tǒng)整體性的體系。這樣一來(lái)，就能幫助結(jié)構(gòu)師了解結(jié)構(gòu)體系安全性能，特別是在抵抗災(zāi)害方面，只有在此基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)才是最合理可行的。
2.3深入分析結(jié)構(gòu)整體性
構(gòu)建以結(jié)構(gòu)整體性為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)體系，需要從系統(tǒng)科學(xué)方面入手，深入分析結(jié)構(gòu)的整體性與魯棒性。其中，整體性還包括牢固性與穩(wěn)定性。通過(guò)之前的分析可以得出，即使構(gòu)件足夠安全，但其構(gòu)成的結(jié)構(gòu)并不一定完全安全。如果構(gòu)件組織對(duì)整體性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不利，則結(jié)構(gòu)必定會(huì)表現(xiàn)出一定易損性，比如發(fā)生連續(xù)性的倒塌。系統(tǒng)科學(xué)指出，只要滿足組織合理的要求，構(gòu)件就能形成對(duì)整體性十分有利的相互作用，產(chǎn)生穩(wěn)定且有序的破壞和受力序列，從而得到較高的魯棒性，構(gòu)造柱與圈梁既是如此。這些構(gòu)件除了能增加承載力，還能提高整體性，促使從最初的易損性變成理想的魯棒性，這樣能從本質(zhì)上提高抗震能力[5]。結(jié)構(gòu)整體性的分析結(jié)果表明，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力并非要一味提高安全儲(chǔ)備，這樣不但效果不佳，而且成本還會(huì)大幅增加。只要對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，可通過(guò)合理設(shè)計(jì)以及對(duì)構(gòu)造措施的應(yīng)用，解決構(gòu)件組合難題，提高整體性，以此達(dá)到增強(qiáng)抗震能力的目的。
3總結(jié)
（1）對(duì)建筑抗震安全而言，其決定性因素首先是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，然后是構(gòu)造措施，最后才是基本的設(shè)計(jì)與計(jì)算。（2）結(jié)構(gòu)整體的牢固性與穩(wěn)定性和魯棒性是決定安全儲(chǔ)備的關(guān)鍵。其中，牢固性是使結(jié)構(gòu)有良好整體性的基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)構(gòu)件可靠、合理連接。而穩(wěn)定性與魯棒性能確保結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向良好整體性。魯棒性強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)榫植砍霈F(xiàn)損壞而產(chǎn)生不相稱損壞；而穩(wěn)定性則強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)損壞應(yīng)是一個(gè)穩(wěn)定且有序的過(guò)程，其包含的每一個(gè)階段都要能反映損傷程度及次序。（3）建議對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行分析來(lái)強(qiáng)化抗震能力：結(jié)構(gòu)整體性、設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)體系。在此基礎(chǔ)上，還要對(duì)相關(guān)規(guī)范提出的規(guī)定進(jìn)行完善。（4）切實(shí)加強(qiáng)教育工作，徹底改變以往的單純注重構(gòu)件的模式與現(xiàn)狀，提高設(shè)計(jì)工作者對(duì)于抗震能力的掌控力，以此全面提升建筑綜合設(shè)計(jì)能力。
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