汶川地震对工程结构抗震设计的思考

汶川地震对工程结构抗震设计的思考

对于前奏地震大力发展的建议国家的反恐措施和管理方式、地震工程的创新和设计以及工程对地震的影响。汶川地震引起了涉及上述各方面工作的广泛关注与讨论,认真吸取这场灾难的经验与教训,有助于科学地推进我国防震减灾事业的进步。作者就地震区划、抗震设防和抗震设计等问题阐述了个人观点,企望引起讨论并得出正确认识。1概率地震危险性分析方法汶川、成都、绵阳、德阳等地区的地震基本设防烈度为6度或7度,但在汶川地震中重灾区实际发生的地震烈度达8~11度;回顾世界各国发生的重大破坏性地震,其地震烈度也往往超过设防烈度。我们是否可寄希望于进行“准确”的区划,使未来发生的地震动等于或不超过设防地震动呢?答案是否定的。强地震动的发生具有极大的不确定性,与地震短临预报目前不能实现相同,作为长期地震预报的地震区划也不能给出确定的准确结果。目前世界各国进行地震区划的主要方法是统计分析方法,给出的是对未来发生的地震动的概率估计。概率地震危险性分析方法以一系列假定和有限的历史资料为基础,在潜在震源区的划分、地震活动性估计、震源破裂方式和地震动衰减关系等环节中均存在极大不确定性,显然不能给出准确的确定结果;而且,由于强烈地震的罕遇特性,其结果的正确性实际是不可验证的。试想,未来50年内以10%的超越概率发生的地震动乃是500年一遇的地震动,倘欲验证这种概率分析结果的正确性,至少需要几千年的时间;至于二三千年一遇的罕遇地震,其统计验证更是匪夷所思。细究地震区划的问题,我们不得不承认,概率方法严格讲仅适用于处理大样本不确定问题,但破坏性地震资料远不满足大样本统计的条件。再者,地震危险性分析给出的地震发生的统计估计,充其量只属先验概率的范畴,如何根据当前的地震活动,确定未来一段时间内的地震发生概率(后验概率),在理论和实践上均无可遵循。地震区划也还有根据地震地质构造进行判断的确定性方法,这种方法假定:曾经发生过地震的构造可能重复发生相同强度的地震;地质条件相同的未发生过地震的构造亦具有相同的地震活动性。显然,这种方法同样面临地震地质资料并不充分的困难,且往往给出没有时限的、难以防御的最大地震的估计。归根结底,人类目前对于地球内部运动和地震的发生只有很少的知识,这些知识远不足以进行准确的地震区划。2抗震设防烈度的提高是新形势下人类经济技术能力的必尽管已发生过的破坏性地震的最大烈度均不超出11度,但将所有工程结构都按照11度进行设防是不现实的。其一,即使经济发达国家也不具备这种经济能力;其二,即使具备这种经济能力,但现有的技术水平也不能使各类各种工程结构在极其强烈的地震作用下仍能实现安全和功能保障。这种情况下,抗震设防只能是权衡工程结构安全性需求和社会经济技术能力的风险决策。以50年内超越概率10%的地震动作为设防地震动,是世界多数国家的共识;在不同地区,这一设防地震动的加速度幅值从0.05g~0.40g不等;基于设防烈度的“小震不坏、大震不倒”是目前世界各国经济技术能力有可能达到的抗震设防目标,也是应长期遵循的目标。随着人类社会经济技术能力的持续发展,抗震设防烈度将逐步提高。设防烈度的提高可有3种方式:①考虑经济技术的发展及其地区不平衡性,由抗震主管部门因时因地适当提高抗震设防烈度;②借助破坏性地震的发生、由地震部门适当提高震区的基本烈度;③明确将现行抗震设防烈度及抗震设防标准规定为最低标准,房屋业主和各行业主管部门可决策选择更高的设防目标。依据0.1g左右的地震动加速度进行工程结构的弹性设计,考虑更强的地震动采取构造措施、提高结构延性和耗能能力(大致等同于8度设防),可以保障结构在强大破坏性地震作用下人员的生命安全;这已为日美等国家的破坏性地震所证实,也是汶川地震经验的总结。3预防我国抗辩事由的应然举措汶川地震中农村民居大量倒塌,从技术角度分析其原因,不外乎未经正规设计、构件薄弱且缺乏整体性连接、建筑材料低劣和施工粗糙等。这并不完全是农民没有财力建造抗震住宅,在很大程度上是缺乏抗震意识和抗震技术指导造成的。长期以来经济社会发展不平衡导致我国村镇尚属抗震设防管理空白,当前,应借助加强农村社会经济建设和全面建设小康社会的契机,将改变这一现状提上议事日程。汶川地震中,一些学校教室倒塌或发生严重破坏,但周边住宅建筑震害相对较轻(如映秀镇漩口中学、都江堰新建小学、聚源镇中学等)。这一现象的发生原因复杂,具体建筑的震害应作具体分析,但应当承认,不同结构类型和不同用途房屋的抗震可靠度存在事实上的差异,突出表现为学校教室建筑即使符合抗震设计要求,其抗震能力也比一般住宅建筑低。应吸取这一震害教训,遵循国内外的成功经验,适当修订有关抗震设防分类的具体规定。遵循“以人为本”、构建和谐社会的理念,对于人员集中的建筑、尤其是其中较为空旷存在抗震薄弱环节的建筑(如学校和医院等),改进其结构选型并适当提高其抗震设防标准。4抗震设计的一般要求地震工程历经百年发展,已经建立了结构弹性地震反应分析的基础理论,并取得了抗震建筑设计的较为丰富的经验,这些理论和经验集中体现于《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)。汶川地震震害在验证我国现行《建筑抗震设计规范》有效性的同时,也提供了一些新的震害现象和经验,值得认真考虑。值得思考的问题包括:①汶川地震震区按6度或7度设计的建筑,总体上实现了预期的抗震设防目标,其中不乏在达到或超过大震的地震作用下仍保持基本完好或仅有轻微损坏的建筑,这在极大提高了我们实施抗震设防信心的同时,也应引起我们对抗震结构真实可靠度的深思。②若干百年的老旧建筑(如穿斗木构架房屋)和未经抗震设计但施工质量良好的建筑比现代建筑的震害还要轻。③业经抗震设计的不同类型建筑的抗震能力存在较大差异,暴露出学校抗震能力低、房屋楼梯间破坏严重、框架结构的“强柱弱梁”设计概念未能实现等问题。抗震设计包括概念设计、计算设计和采取抗震构造措施等内容,汶川地震震害表明,对于一般多层建筑,其抗震能力主要取决于正确的对抗震概念的把握、良好的整体性、加强的抗震措施及严格的施工质量。地震作用计算的准确性只就算法而言才有意义,对于实际工程的抗震设计,由于设防地震动具有极大的离散性,算法的准确并无意义;相反,相对保守的算法才有助于提高结构抗震可靠性。日本和美国的抗震设计规范中,对一般建筑至今采用简化的、经验的算法和保守的计算系数,并不强调弹塑性时程分析;对于土木结构的非线性模型及其本构关系,我们只有很少的知识,地震反应分析只能作为抗震设计的参考,大震不倒还要以经验的构造措施作保障。(1)抗震措施是提高建筑抗震能力的有力保障,必须适当加强。多数抗震构造措施(如圈梁和构造柱等)是实际震害经验的总结,但是,实际震害并没有提供有关不同程度的抗震措施对应不同抗震能力的定量数据,现行抗震设计规范中区别设防烈度采用抗震措施仅是合乎逻辑的、旨在节省建设资金的主观规定。考虑以上背景、地震动的极大不确定性、以及社会经济能力的普遍提高,似宜加强中、低烈度区的抗震措施要求,如对设防烈度6~7度的一般建筑规定统一采用现行8度的构造措施;对设防烈度更高的建筑或重要建筑规定采用更强的特殊构造措施。(2)汶川地震房屋震害突出表明,强柱弱梁的概念设计思想在混凝土框架结构中未能实现,现浇楼板及其配筋极大提高了框架梁的刚度和强度,致使塑性铰产生于柱端,少数出现梁端塑性铰的结构仅为无楼板的框架。框架结构的抗震设计,在考虑是否可能提高柱的设计弯矩并降低柱的轴压比的同时,似可探索实现强柱弱梁的构造措施,如在梁柱节点附近人为削弱楼板对梁的约束,使梁端形成可先期屈服的耗能段。(3)汶川地震中房屋楼梯间的破坏不仅阻滞了人员逃生而且直接造成了人员伤亡,这是修订抗震设计要求应予考虑的又一突出问题。作为平时的交通通道和应急情况下的逃生设施,楼梯间的抗震能力宜高于建筑的其他部分。鉴于其受力复杂、结构整体性较弱,宜采用较强的结构体系和加强的构造措施。(4)框架结构的填充墙在汶川地震中普遍开裂,导致功能丧失产生重大经济损失乃至人员伤亡。抗震设计规范的修订有必要对填充墙的抗震设计要求作出更严格、具体的规定。宜区分填充墙的不同功能进行抗震设计。对于只起隔断作用的填充墙,宜采用轻质、可与框架产生滑移变位的预制墙板;对于预期可因开裂而耗能的填充墙,应增强其耗能机制并采取防止墙体因开裂而倒塌的构造措施;对于希望增强体系抗侧力刚度的填充墙,则应仿照剪力墙进行设计。后两者的阻尼和刚度应在计算中予以估计,墙体布置应遵循均匀对称等原则。高、长的大面积填充墙,应增设圈梁和构造柱加强与框架的连接。工业厂房砌体围护墙倒塌仍是典型的破坏现象,高大的砌体围护墙很难保障其与排架柱的可靠连接和稳定性,解决这一问题的根本措施是采用轻型预制墙板。(5)汶川地震震区的不少底层空旷房屋发生了不同形态和不同程度的损坏(如底层破坏、上层破坏和倒塌),其主要原因之一在于结构的不规则。这类房屋有底框架砌体房屋,底层空旷的框架结构房屋和大量底层结构体系混乱且空旷的砌体房屋。宜针对这些现象加强抗震设计的审查和管理,从提高规则性出发对抗震设计要求作出更为具体和明确的规定。(6)汶川地震的地震地质破坏是导致房屋毁坏和人员伤亡的重要原因。在建筑场地地震安全性评价中,与场地地震动参数的估计相比较,场地评价具有更为重要的意义和技术较为可行的特点。通过工程地质勘察,避开滑坡、岩崩、滚石、泥石流、塌陷可能发生的场地,尽量避开软弱土、不均匀土、液化土等场地,对提高房屋建筑抗御自然灾害的能力具有重大意义。另一值得商榷的问题是断层避让问题。断层错动是不可抗御的,断层避让在逻辑上合理,但可行性存在问题。活动断层的探测(含准确定位和活动性估计)是目前尚未解决的重大科技难题,即使花费巨大勘测投资也难以给出明确的结论。出露地表的位置明确的断层,再次重复发生地震的事例很少,不少地震是在经探测并未发现断层的地点发生的。只要建筑不跨越断层,即使在断裂的几米范围内,房屋未发生毁坏的事例在世界各国和汶川地震中都不少见。因此,在城镇规划、改造和建筑选址中,不宜对断层的大距离避让问题作强制性规定。5注重提高建筑抗震能力(1)抗震防灾事业不能寄希望于准确的地震短临预报和地震区划,对复杂自然规律的探索不等于科技进步的现实,必须强调抗震设防、从实际出发采取切实可行和有效的措施提高工程结构的抗震能力。(2)抗震设防烈度、抗震设防目标、抗震设防标准都是权衡建筑抗震安全性和经济技术能力的风险决策;其中并无可供遵循的系统理论和分析模型。应根据我国社会经济的发展水平和地区不平衡性,与时俱进逐步提高抗震设防水准。当前时期的重要任