如何改善房屋結(jié)構(gòu)以減少地震?

【專家解說】：【抗震設(shè)防簡介】 抗震設(shè)防簡單地說，就是為達到抗震效果，在工程建設(shè)時對建筑物進行抗震設(shè)計并采取抗震設(shè)施?？拐鸫胧┦侵赋卣鹱饔糜嬎愫涂沽τ嬎阋酝獾目拐鹪O(shè)計內(nèi)容，包括抗震構(gòu)造措施?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》規(guī)定，抗震設(shè)防烈度在6度及以上地區(qū)的建筑，必須進行抗震設(shè)防。 抗震設(shè)防通常通過三個環(huán)節(jié)來達到：確定抗震設(shè)防要求，即確定建筑物必須達到的抗御地震災(zāi)害的能力；抗震設(shè)計，采取基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)等抗震措施，達到抗震設(shè)防要求；抗震施工，嚴(yán)格按照抗震設(shè)計施工，保證建筑質(zhì)量。上述三個環(huán)節(jié)是相輔相成密不可分的，都必須認真進行。 [編輯本段]【抗震設(shè)防要求】 抗震設(shè)防要求是指經(jīng)國務(wù)院地震行政主管部門制定或?qū)彾ǖ模瑢ㄔO(shè)工程制定的必須達到的抗御地震破壞的準(zhǔn)則和技術(shù)指標(biāo)。它是在綜合考慮地震環(huán)境、建設(shè)工程的重要程度、允許的風(fēng)險水平及要達到的安全目標(biāo)和國家經(jīng)濟承受能力等因素的基礎(chǔ)上確定的，主要以地震烈度或地震動數(shù)表述，新建、擴建、改建建設(shè)工程所應(yīng)達到的抗御地震破壞的準(zhǔn)則和技術(shù)指標(biāo)。 [編輯本段]【抗震設(shè)防分類】 抗震設(shè)計中，根據(jù)使用功能的重要性把建筑物分為甲、乙、丙、丁四個抗震設(shè)防類別。甲類建筑應(yīng)屬于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑，乙類建筑應(yīng)屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑，丙類建筑應(yīng)屬于除甲、乙、丁類以外的一般建筑，丁類建筑應(yīng)屬于抗震次要建筑。 各抗震設(shè)防類別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)符合下列要求： 甲類建筑，地震作用應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，其值應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評價結(jié)果確定；抗震措施，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當(dāng)為9度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。 乙類建筑，地震作用應(yīng)符臺本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求；抗震措施，一般情況下，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當(dāng)為9度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求；地基基礎(chǔ)的抗震措施，應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。對較小的乙類建筑，當(dāng)其結(jié)構(gòu)改用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)類型時，應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震措施。 丙類建筑，地震作用和抗震措施均應(yīng)符臺本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。 丁類建筑，一般情況下，地震作用仍應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求；抗震措施應(yīng)允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求適當(dāng)降低，但抗震設(shè)防烈度為6度時不應(yīng)降低。 當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6度時，除規(guī)范有具體規(guī)定外，對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算，但仍采取相應(yīng)的抗震措施。 [編輯本段]【抗震設(shè)防目標(biāo)】 抗震設(shè)防目標(biāo)是指建筑結(jié)構(gòu)遭遇不同水準(zhǔn)的地震影響時，對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、使用功能、設(shè)備的損壞程度及人身安全的總要求。建筑設(shè)防目標(biāo)要求建筑物在使用期間，對不同頻率和強度的地震，應(yīng)具有不同的抵抗能力，對一般較小的地震，發(fā)生的可能性大，故又稱多遇地震，這時要求結(jié)構(gòu)不受損壞，在技術(shù)上和經(jīng)濟上都可以做到；而對于罕遇的強烈地震，由于發(fā)生的可能性小，但地震作用大，在此強震作用下要保證結(jié)構(gòu)完全不損壞，技術(shù)難度大，經(jīng)濟投入也大，是不合算的，這時若允許有所損壞，但不倒塌，則將是經(jīng)濟合理的。因此，中國的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中根據(jù)這些原則將抗震目標(biāo)與三種烈度相應(yīng)，分為三個水準(zhǔn)，具體描述為： 第一水準(zhǔn)：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震（或稱小震）影響時，建筑物—般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；第二水準(zhǔn)：當(dāng)遭受本地區(qū)規(guī)定設(shè)防烈度的地震（或稱中震）影響時，建筑物可能產(chǎn)生一定的損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。第三水準(zhǔn)：當(dāng)遭受高于本地區(qū)規(guī)定設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震（或稱大震）影響時，建筑可能產(chǎn)生重大破壞，但不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。通常將其概括為：“小震不壞，中震可修、大震不倒”。 結(jié)構(gòu)物在強烈地震中不損壞是不可能的，抗震設(shè)防的底線是建筑物不倒塌，只要不倒塌就可以大大減少生命財產(chǎn)的損失，減輕災(zāi)害。一般，在設(shè)防烈度小于6度地區(qū)，地震作用對建筑物的損壞程度較小，可不予考慮抗震設(shè)防，在9度以上地區(qū)，即使采取很多措施，仍難以保證安全，故在抗震設(shè)防烈度大于9度地區(qū)的抗震設(shè)計應(yīng)按有關(guān)專門規(guī)定執(zhí)行。所以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》適用于6～9度地區(qū)。 [編輯本段]【抗震設(shè)計方法】 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》采用二階段設(shè)計方法實現(xiàn)上述三個水準(zhǔn)的設(shè)防要求： 第—階段設(shè)計是按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，以及在小震作用下驗算結(jié)構(gòu)的彈性變形。具體的說是在方案布置符合抗震設(shè)計原則的前提下，以眾值烈度（小震）下的地震作用值作為設(shè)防指標(biāo)，假定結(jié)構(gòu)和構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，計算結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)（內(nèi)力和變形），驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力，并采取必要的抗震措施。這樣既滿足了在第—水準(zhǔn)下具有必要的承載力（小震不壞），同時又滿足了第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求（損壞可修）。另外，對于框架結(jié)構(gòu)和框架——剪力墻結(jié)構(gòu)等較柔的結(jié)構(gòu)，還要驗算眾值烈度下的彈性間層位移，以控制其側(cè)向變形在小震作用下不致過大。對大多數(shù)的結(jié)構(gòu)，可只進行第一階段設(shè)計，而通過概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施來滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)計要求。 第二階段設(shè)計是彈塑性變形驗算，對特殊要求的建筑和地震時易倒塌的結(jié)構(gòu)，除進行第一階段設(shè)計外，還要按大震作用時進行薄弱部位的彈塑性層間變形驗算和采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。首先是要根據(jù)實際設(shè)計截面尋找結(jié)構(gòu)的薄弱層或薄弱部位（層間位移較大的樓層或首先屈服的部位），然后計算和控制其在大震作用下的彈塑性層間位移，并采取提高結(jié)構(gòu)變形能力的構(gòu)造措施，達到大震不倒的目的。 （其中，上面提到的小震、基本烈度、大震之間的大致關(guān)系為：小震比基本烈度低1.55度；大震比基本烈度高1度左右。） [編輯本段]【抗震設(shè)計參數(shù)】 烈度與加速度都是描述地震作用下地面震動或影響的標(biāo)量，但在工程抗震設(shè)防中的作用卻各不相同。它們類似于佳肴制作中的鹽與糖。各種佳肴均離不開鹽，但未必需要糖；即便是以糖為主要佐料的甜食，如果稍加一點點鹽，則味道會更美好。它們之間可以互為補充，卻不能相互代替。本文擬通過相關(guān)問題的論述，希望有助于科學(xué)地看待安評工作中烈度與加速度的結(jié)果。 ●抗震設(shè)計離不開烈度 當(dāng)前，我國的抗震設(shè)計仍然是以概念設(shè)計為主。只有少數(shù)工程結(jié)構(gòu)才使用抗震驗算或模型實驗等輔助設(shè)計手段。在概念設(shè)計中的抗震措施要求，是根據(jù)國內(nèi)外震害經(jīng)驗的總結(jié)而規(guī)定的。所以，我國現(xiàn)行的各抗震設(shè)計規(guī)范大都是以“設(shè)防烈度”或“設(shè)計烈度”為依據(jù)的。特別是地基處理、選材選型和結(jié)構(gòu)抗震措施等，均要求按烈度分檔進行設(shè)計。就是在大型水利樞紐工程或核電廠的地安評工作中，甲方也都要求有“地震基本烈度復(fù)核”的內(nèi)容。在《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50267-79，P12）中還規(guī)定，對安全殼等結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震措施，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對Ⅸ度抗震設(shè)防時的有關(guān)要求。可以說，當(dāng)今中國的抗震設(shè)計還離不開烈度，只有少數(shù)需要進行抗震驗算或模型實驗的工程才用到加速度。 ●烈度與地面運動參數(shù)之間的關(guān)系 烈度與地面運動參數(shù)之間的關(guān)系是復(fù)雜的，還未找到由加速度換算烈度的科學(xué)依據(jù)。在《中國地震烈度表》（GB/T17742-99）中所列的地面運動強度標(biāo)志，包括了水平加速度峰值和水平速度峰值。在相應(yīng)的宣貫教材（P72~75）中，對該標(biāo)志的依據(jù)和含義做了論述，尤其強調(diào)了“平均值”的重要性。且該標(biāo)志只是綜合評定烈度的依據(jù)之一，既不是“必要”依據(jù)，也不是“充分”依據(jù)。 世界上一些早期的烈度表，也曾把等價的地面加速度峰值作為烈度表的一部分。但在上世紀(jì)中后期的廣泛討論中（國外地震，1975.5,P5~24），相當(dāng)一致的意見認為，烈度的定量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該全面反應(yīng)地震的強度、頻譜和持時，并對單純以地面加速度峰值評定烈度持否定態(tài)度。因而在新的《歐洲地震烈度表》（1992）中，就刪去了這部分內(nèi)容。他們認為，烈度與地面運動參數(shù)之間不能以簡單的關(guān)系來表述。同樣有證據(jù)說明，地面加速度不是影響烈度的非常重要的參數(shù)。因此，不再把地面運動參數(shù)（如加速度）包括到烈度表中來。 越來越多的觀測資料表明，相同烈度下的地面運動強度數(shù)據(jù)有很大的離散性，上下限的數(shù)值可以相差幾倍到幾十倍，顯示出烈度與地面運動強度之間的相關(guān)性甚小，其關(guān)系復(fù)雜。胡聿賢院士在他著的《地震工程學(xué)》（P184～189）中，也曾論述過烈度同地面運動強度之間的復(fù)雜關(guān)系，指出了在考慮烈度同加速度峰值之間的關(guān)系時，至少還應(yīng)考慮震級的因素。對同一烈度，由于震級的不同，加速度可以在一個數(shù)量級之間變化。正是由于這種復(fù)雜關(guān)系的存在，導(dǎo)致了在地震烈度與地面運動強度之間難以建立簡單的對應(yīng)關(guān)系。在《地震工程學(xué)》（P191~192）中，專門論述了分別以烈度為自變量和以地面加速度峰值為自變量所得的統(tǒng)計關(guān)系式差別很大。如若從烈度Ⅷ度推算的加速度峰值為0.25g；而從0.25g推算的烈度卻為Ⅵ度強（6.7度）。人們無法接受這種差異。很顯然，胡聿賢院士在十年前就已告誡我們，即使建立了地震烈度同加速度峰值之間的某種對應(yīng)關(guān)系，并不能說明加速度峰值同烈度之間存在類似的對應(yīng)關(guān)系。 ●合理看待烈度與加速度結(jié)果之間的變異性差異 安評結(jié)果實質(zhì)上是對場地在未來工程壽期內(nèi)可能遭遇的地震風(fēng)險性所作的估計。這種估計是建立在現(xiàn)有資料和科學(xué)認識水平上的。安評結(jié)果的科學(xué)性，首先是指可重復(fù)性和唯一性。一樣的資料和分析方法，不同安評單位應(yīng)該得到相同的結(jié)果。然而，由于資料的不完備和認識水平的局限性，安評結(jié)果的不確定性是在所難免的。這種不確定性的大小，可以用變異系數(shù)（方差與均值之比值）來描述。 潘華在博士論文《概率地震危險性分析中參數(shù)不確定性研究》中得到：①由于地震統(tǒng)計區(qū)的不確定性，在華北地區(qū)造成場點烈度變異系數(shù)均值為0.04,最大達0.11；基巖PGA變異系數(shù)均值近0.3,最大值超過0.85。②地震活動性參數(shù)的不確定性影響，烈度變異系數(shù)均值為0.031；PGA的變異系數(shù)均值達0.18。 該論文僅從地震統(tǒng)計區(qū)和地震活動性參數(shù)的不確定性，論述了烈度和加速度峰值結(jié)果的變異系數(shù)差別。如果再綜合考慮潛在震源區(qū)、地震震源深度、衰減關(guān)系以及場地土層地震動力反應(yīng)分析的不確定性，其差別會更加明顯。 ●不應(yīng)簡單地用加速度峰值換算烈度 將《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的加速度分區(qū)等效為基本烈度的規(guī)定，并不意味著可以由加速度峰值去換算烈度在國家標(biāo)準(zhǔn)GB18306-2001的提示性附錄D中指出：“當(dāng)涉及地基處理、構(gòu)造措施或其他防震減災(zāi)措施時，地震基本烈度數(shù)值可由本標(biāo)準(zhǔn)查取地震動峰值加速度并按表D1確定，也可根據(jù)需要做更細致的劃分”。其表D1給出了地震動峰值加速度分區(qū)與地震基本烈度對照表。在相應(yīng)的宣貫教材中，未對表D1的科學(xué)依據(jù)和如何進行“更細致的劃分”作說明，暫且將表D1解釋為“政策性”的規(guī)定。從相應(yīng)的宣貫教材可知，編制地震動參數(shù)區(qū)劃圖的數(shù)據(jù)，是由五套潛在震源區(qū)和地震活動性參數(shù)的計算結(jié)果為基礎(chǔ)，考慮到參數(shù)不確定影響和與《中國地震烈度區(qū)劃圖（1990）》的過渡，對計算結(jié)果進行加權(quán)綜合，得到每個格點“基巖”場地50年超越概率10%水平下的EPA和EPV值（P62）；在分區(qū)時還考慮了與抗震設(shè)計規(guī)范的銜接等因素（P90）。所以，地震動參數(shù)區(qū)劃圖可以理解為加權(quán)平均結(jié)果。 但是，除極少數(shù)Ⅰ級安評工作系采用多方案數(shù)據(jù)組合的平均值結(jié)果為評價依據(jù)外，絕大多數(shù)安評工作都只是一組數(shù)據(jù)的結(jié)果。由于地震統(tǒng)計區(qū)、潛在震源區(qū)、地震活動性參數(shù)、衰減關(guān)系，以及場地土層地震動力反應(yīng)分析等方面的不確定性，可以用若干個數(shù)據(jù)組合方案來描述，且不存在唯一正確的方案。因此，采用一組數(shù)據(jù)方案所得的結(jié)果，不可能作為“平均值”看待，也就很難用安評所得的加速度峰值去等效烈度。 綜上所述，烈度與加速度在工程抗震設(shè)防中的作用不同，其變異性差別也很顯著。它們之間是互為補充的關(guān)系，絕非相互包容或排斥的關(guān)系。作為工程建設(shè)部門，選用變異系數(shù)較小的標(biāo)量為主要設(shè)防依據(jù)是合情合理的。因此，安評工作應(yīng)當(dāng)根據(jù)抗震設(shè)防的實際需求來決定結(jié)果的表述形式。就像佳肴制作中的鹽與糖，萬不可混用。