建筑结构抗地震倒塌能力分析

抗震是建筑结构设计的重点，但目前的抗震设计还存在一些问题，仍将重点放在设计和计算方面，这使得我国很多建筑都不具备合格的抗震能力。因此，需要对抗震设计进行深入分析，以探讨有效的设计方法。

1基于系统可续的建筑结构抗震能力要素分析

通过对系统科学概念的了解得出，对于复杂系统，其功能主要和它的整体性有关。而整体性则是系统方法的目标与核心所在，可将其简单理解成整体和各部分的总和不相等。从建筑结构这一系统角度讲：①系统功能赋予了构件功能，如果构件脱离整体，则它将失去在整体中具有的功能；②构件还会对整体功能产生影响，如果整体中有构件脱离，则整体将失去一些功能，而且这些失去的功能并不一定等于构件具有的功能，可大可小。因系统组成十分复杂，所以构件组成及相互作用决定了整体功能。比如两个构件完全相同，但组合不同的系统，其往往具有完全不同的整体性和功能。若由于构件间的依赖增强了系统功能损失，也就是构件损坏及其造成的整体破坏无法相称，则直接减弱系统抗震能力，属于最不利的系统整体性，即易损性[1]。从结构抗震角度讲，虽然在结构设计时进行抗震研究，但因地震作用十分复杂，不仅有几率发生大震，而且地震产生后的实际作用不可能和设计计算完全一致。如果遭到破坏性地震的作用，则结构中的部分构件会因为承载能力超出限度而损坏；此时，若破坏的构件不断导致其它构件出现损坏，则认为该结构具有较大的易损性。相对于易损性的则是有利整体，在合理的组织与设计下形成结构，可充分利用构件间彼此影响和依赖，减少在地震作用下发生的损失，也就是部分构件被地震破坏后不至于导致其它构件损坏，该特性即鲁棒性。可将其直观表达为减法整体性，即3减1的结果比2大。对于抗震结构这一系统，其对地震作用的抵抗有特殊意义，而且还有很多能增强鲁棒性的措施，包括增加冗余度和明确功能类型等。鲁棒性还具有反映一个系统的整体性的特殊功能。在对建筑结构进行分析时，相关专家也经常使用整体牢固性或者是整体稳定性来进行描述。从系统方法角度讲，稳定性意义特殊，而对整体牢固性而言，它又是一个和工程十分接近的术语。基于此，以下将以系统科学为出发点，明确以上三种特性的概念[2]。鲁棒性主要描述的是结构在遇到意外时，如果结构中的构件出现损坏，则其对整个系统造成的影响或破坏程度。整体稳定性主要描述结构损伤具体过程。这里提到的稳定性，主要是指广义上的稳定性。由于受到地震作用，结构从最初的完好状态开始，先后经历局部破坏、破坏加剧、倒塌失稳等过程。若局部破坏至倒塌失稳的过程为突变过程，则倒塌将很难进行预测与孔子和。鉴于此，结构损伤要表现成有序而稳定的过程，图1结构抗侧行为曲线并且要能分解成若干工作阶段，所有阶段都要有其特定的机制，同时可以充分发挥每一种构件的变形能力与承载力，确保受力状态与各项性能能够进行预测。这种破坏过程能使系统由最初的破坏到最后的倒塌具有很长一段时间，而且一旦地震作用在此过程停止，则破坏也会立刻停止，人员有足够的时间逃生。在框架结构中，抗震设计注重的强柱弱梁正是这种破坏模式。虽然这并不表示此类结果不会倒塌，但在梁铰的形成过程中，要经历很长时间，所以与屈服机制相比，具有较强抗倒塌的能力[3]。另外，形成结构系统的基础是构件有一定相互作用。当受到地震作用时，若结构能解体成单个构件，则以上提到的整体性将失去意义。基于此，整体牢固性具有重要意义，是整体稳定性与鲁棒性目标的实现前提，简单来说就是只有构件合理、牢固连接，才能发挥相互作用，提高结构抗震能力。虽然如此，但整体稳定性与鲁棒性仍然是系统层面的重要性能，这和整体牢固性是完全不同的。通过上述分析得出，鲁棒性与整体的牢固性与稳定性是提高整体抗震能力的关键要素。

2建筑结构抗震设计方法

2.1切实加强“第二阶段”设计

国内建筑的抗震设防目标依然是三水准，即为：小震作用后不破坏、中震作用后可修理、大震作用后不倒塌，在此基础上辅以二阶段设计确保目标实现。其中，第一阶段主要是按照小震开展设计与计算，重点处理安全储备方面的问题（结构的抗侧行为如图1所示），在这一方面现阶段已经十分成熟。第二阶段以抗倒塌设计为主，因计算和分析都有很大的难度，所以只是对重要建筑提出了详细规定，普通建筑采用可行抗震方法实现大震作用后不倒塌即可。虽然这些方法对广大设计人员有一定启示，但由于这些方法普遍具有可操作性差的弊端，不如直接开始第二阶段的设计。基于此，需对普通建筑设计与计算方法进行简化。从建筑的框架结构角度讲，我国主要采用的是以柱梁受弯承载力比为基础对强柱弱梁进行控制，其最大的不同点是，这一指南强调按照强柱弱梁进行设计分析，以此保证这种机制顺利实现。根据上述分析内容，采用以屈服机制为核心的分析方法，能帮助设计人员了解结构倒塌与损坏机制，从而判断各类构件的重要程度、承载力与变形能力需求，同时根据实际要求，设置不容易产生倒塌现象的区域，确保人员能够快速撤离。

2.2注重结构体系和选型

抗震体系与结构形式科学合理是提高建筑抗震能力的重要基础。如果建筑的结构形式较差，或没有设置构造柱，则这种建筑可能是严重缺乏抗震能力，加之施工质量难以保证，所以有可能造成严重后果。以系统科学理论为基础，对结构抗震能力而言，其决定性作用的首先是结构设计，也就是抗震体系，其次则为抗震构造，最后才与抗震计算有关。但是，从实践中看，因结构形式与抗震体系众多，难以满足规定，加之我国对于建筑结构体系的教育始终以构件为主，忽视结构体系，所以结构师一般不会从整体角度对规范进行理解与应用。针对这些问题，需要对建筑的震害经验进行总结，吸取教训，提出结构体系和选型的指导依据，构建直接针对系统整体性的体系。这样一来，就能帮助结构师了解结构体系安全性能，特别是在抵抗灾害方面，只有在此基础上进行规范设计才是最合理可行的。

2.3深入分析结构整体性

构建以结构整体性为基础的标准体系，需要从系统科学方面入手，深入分析结构的整体性与鲁棒性。其中，整体性还包括牢固性与稳定性。通过之前的分析可以得出，即使构件足够安全，但其构成的结构并不一定完全安全。如果构件组织对整体性目标的实现不利，则结构必定会表现出一定易损性，比如发生连续性的倒塌。系统科学指出，只要满足组织合理的要求，构件就能形成对整体性十分有利的相互作用，产生稳定且有序的破坏和受力序列，从而得到较高的鲁棒性，构造柱与圈梁既是如此。这些构件除了能增加承载力，还能提高整体性，促使从最初的易损性变成理想的鲁棒性，这样能从本质上提高抗震能力[5]。结构整体性的分析结果表明，增强结构抗震能力并非要一味提高安全储备，这样不但效果不佳，而且成本还会大幅增加。只要对结构系统进行深入分析，可通过合理设计以及对构造措施的应用，解决构件组合难题，提高整体性，以此达到增强抗震能力的目的。

（1）对建筑抗震安全而言，其决定性因素首先是结构系统，然后是构造措施，最后才是基本的设计与计算。（2）结构整体的牢固性与稳定性和鲁棒性是决定安全储备的关键。其中，牢固性是使结构有良好整体性的基础，强调构件可靠、合理连接。而稳定性与鲁棒性能确保结构转向良好整体性。鲁棒性强调结构不会因为局部出现损坏而产生不相称损坏；而稳定性则强调结构损坏应是一个稳定且有序的过程，其包含的每一个阶段都要能反映损伤程度及次序。（3）建议对以下内容进行分析来强化抗震能力：结构整体性、设计方法与结构体系。在此基础上，还要对相关规范提出的规定进行完善。（4）切实加强教育工作，彻底改变以往的单纯注重构件的模式与现状，提高设计工作者对于抗震能力的掌控力，以此全面提升建筑综合设计能力。