如何改善房屋结构以减少地震?

【专家解说】：【抗震设防简介】 抗震设防简单地说，就是为达到抗震效果，在工程建设时对建筑物进行抗震设计并采取抗震设施。抗震措施是指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。《建筑抗震设计规范》规定，抗震设防烈度在6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设防。 抗震设防通常通过三个环节来达到：确定抗震设防要求，即确定建筑物必须达到的抗御地震灾害的能力；抗震设计，采取基础、结构等抗震措施，达到抗震设防要求；抗震施工，严格按照抗震设计施工，保证建筑质量。上述三个环节是相辅相成密不可分的，都必须认真进行。 [编辑本段]【抗震设防要求】 抗震设防要求是指经国务院地震行政主管部门制定或审定的，对建设工程制定的必须达到的抗御地震破坏的准则和技术指标。它是在综合考虑地震环境、建设工程的重要程度、允许的风险水平及要达到的安全目标和国家经济承受能力等因素的基础上确定的，主要以地震烈度或地震动数表述，新建、扩建、改建建设工程所应达到的抗御地震破坏的准则和技术指标。 [编辑本段]【抗震设防分类】 抗震设计中，根据使用功能的重要性把建筑物分为甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别。甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，丙类建筑应属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑，丁类建筑应属于抗震次要建筑。 各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求： 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，应符合比9度抗震设防更高的要求。 乙类建筑，地震作用应符台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。 丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符台本地区抗震设防烈度的要求。 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。 当抗震设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算，但仍采取相应的抗震措施。 [编辑本段]【抗震设防目标】 抗震设防目标是指建筑结构遭遇不同水准的地震影响时，对结构、构件、使用功能、设备的损坏程度及人身安全的总要求。建筑设防目标要求建筑物在使用期间，对不同频率和强度的地震，应具有不同的抵抗能力，对一般较小的地震，发生的可能性大，故又称多遇地震，这时要求结构不受损坏，在技术上和经济上都可以做到；而对于罕遇的强烈地震，由于发生的可能性小，但地震作用大，在此强震作用下要保证结构完全不损坏，技术难度大，经济投入也大，是不合算的，这时若允许有所损坏，但不倒塌，则将是经济合理的。因此，中国的《建筑抗震设计规范》中根据这些原则将抗震目标与三种烈度相应，分为三个水准，具体描述为： 第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震（或称小震）影响时，建筑物—般不受损坏或不需修理仍可继续使用；第二水准：当遭受本地区规定设防烈度的地震（或称中震）影响时，建筑物可能产生一定的损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。第三水准：当遭受高于本地区规定设防烈度的预估的罕遇地震（或称大震）影响时，建筑可能产生重大破坏，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。通常将其概括为：“小震不坏，中震可修、大震不倒”。 结构物在强烈地震中不损坏是不可能的，抗震设防的底线是建筑物不倒塌，只要不倒塌就可以大大减少生命财产的损失，减轻灾害。一般，在设防烈度小于6度地区，地震作用对建筑物的损坏程度较小，可不予考虑抗震设防，在9度以上地区，即使采取很多措施，仍难以保证安全，故在抗震设防烈度大于9度地区的抗震设计应按有关专门规定执行。所以《建筑抗震设计规范》适用于6～9度地区。 [编辑本段]【抗震设计方法】 《建筑抗震设计规范》采用二阶段设计方法实现上述三个水准的设防要求： 第—阶段设计是按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形。具体的说是在方案布置符合抗震设计原则的前提下，以众值烈度（小震）下的地震作用值作为设防指标，假定结构和构件处于弹性工作状态，计算结构的地震作用效应（内力和变形），验算结构构件抗震承载力，并采取必要的抗震措施。这样既满足了在第—水准下具有必要的承载力（小震不坏），同时又满足了第二水准的设防要求（损坏可修）。另外，对于框架结构和框架——剪力墙结构等较柔的结构，还要验算众值烈度下的弹性间层位移，以控制其侧向变形在小震作用下不致过大。对大多数的结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。 第二阶段设计是弹塑性变形验算，对特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构，除进行第一阶段设计外，还要按大震作用时进行薄弱部位的弹塑性层间变形验算和采取相应的构造措施，实现第三水准的设防要求。首先是要根据实际设计截面寻找结构的薄弱层或薄弱部位（层间位移较大的楼层或首先屈服的部位），然后计算和控制其在大震作用下的弹塑性层间位移，并采取提高结构变形能力的构造措施，达到大震不倒的目的。 （其中，上面提到的小震、基本烈度、大震之间的大致关系为：小震比基本烈度低1.55度；大震比基本烈度高1度左右。） [编辑本段]【抗震设计参数】 烈度与加速度都是描述地震作用下地面震动或影响的标量，但在工程抗震设防中的作用却各不相同。它们类似于佳肴制作中的盐与糖。各种佳肴均离不开盐，但未必需要糖；即便是以糖为主要佐料的甜食，如果稍加一点点盐，则味道会更美好。它们之间可以互为补充，却不能相互代替。本文拟通过相关问题的论述，希望有助于科学地看待安评工作中烈度与加速度的结果。 ●抗震设计离不开烈度 当前，我国的抗震设计仍然是以概念设计为主。只有少数工程结构才使用抗震验算或模型实验等辅助设计手段。在概念设计中的抗震措施要求，是根据国内外震害经验的总结而规定的。所以，我国现行的各抗震设计规范大都是以“设防烈度”或“设计烈度”为依据的。特别是地基处理、选材选型和结构抗震措施等，均要求按烈度分档进行设计。就是在大型水利枢纽工程或核电厂的地安评工作中，甲方也都要求有“地震基本烈度复核”的内容。在《核电厂抗震设计规范》（GB50267-79，P12）中还规定，对安全壳等结构和构件的抗震措施，应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》对Ⅸ度抗震设防时的有关要求。可以说，当今中国的抗震设计还离不开烈度，只有少数需要进行抗震验算或模型实验的工程才用到加速度。 ●烈度与地面运动参数之间的关系 烈度与地面运动参数之间的关系是复杂的，还未找到由加速度换算烈度的科学依据。在《中国地震烈度表》（GB/T17742-99）中所列的地面运动强度标志，包括了水平加速度峰值和水平速度峰值。在相应的宣贯教材（P72~75）中，对该标志的依据和含义做了论述，尤其强调了“平均值”的重要性。且该标志只是综合评定烈度的依据之一，既不是“必要”依据，也不是“充分”依据。 世界上一些早期的烈度表，也曾把等价的地面加速度峰值作为烈度表的一部分。但在上世纪中后期的广泛讨论中（国外地震，1975.5,P5~24），相当一致的意见认为，烈度的定量标准应该全面反应地震的强度、频谱和持时，并对单纯以地面加速度峰值评定烈度持否定态度。因而在新的《欧洲地震烈度表》（1992）中，就删去了这部分内容。他们认为，烈度与地面运动参数之间不能以简单的关系来表述。同样有证据说明，地面加速度不是影响烈度的非常重要的参数。因此，不再把地面运动参数（如加速度）包括到烈度表中来。 越来越多的观测资料表明，相同烈度下的地面运动强度数据有很大的离散性，上下限的数值可以相差几倍到几十倍，显示出烈度与地面运动强度之间的相关性甚小，其关系复杂。胡聿贤院士在他著的《地震工程学》（P184～189）中，也曾论述过烈度同地面运动强度之间的复杂关系，指出了在考虑烈度同加速度峰值之间的关系时，至少还应考虑震级的因素。对同一烈度，由于震级的不同，加速度可以在一个数量级之间变化。正是由于这种复杂关系的存在，导致了在地震烈度与地面运动强度之间难以建立简单的对应关系。在《地震工程学》（P191~192）中，专门论述了分别以烈度为自变量和以地面加速度峰值为自变量所得的统计关系式差别很大。如若从烈度Ⅷ度推算的加速度峰值为0.25g；而从0.25g推算的烈度却为Ⅵ度强（6.7度）。人们无法接受这种差异。很显然，胡聿贤院士在十年前就已告诫我们，即使建立了地震烈度同加速度峰值之间的某种对应关系，并不能说明加速度峰值同烈度之间存在类似的对应关系。 ●合理看待烈度与加速度结果之间的变异性差异 安评结果实质上是对场地在未来工程寿期内可能遭遇的地震风险性所作的估计。这种估计是建立在现有资料和科学认识水平上的。安评结果的科学性，首先是指可重复性和唯一性。一样的资料和分析方法，不同安评单位应该得到相同的结果。然而，由于资料的不完备和认识水平的局限性，安评结果的不确定性是在所难免的。这种不确定性的大小，可以用变异系数（方差与均值之比值）来描述。 潘华在博士论文《概率地震危险性分析中参数不确定性研究》中得到：①由于地震统计区的不确定性，在华北地区造成场点烈度变异系数均值为0.04,最大达0.11；基岩PGA变异系数均值近0.3,最大值超过0.85。②地震活动性参数的不确定性影响，烈度变异系数均值为0.031；PGA的变异系数均值达0.18。 该论文仅从地震统计区和地震活动性参数的不确定性，论述了烈度和加速度峰值结果的变异系数差别。如果再综合考虑潜在震源区、地震震源深度、衰减关系以及场地土层地震动力反应分析的不确定性，其差别会更加明显。 ●不应简单地用加速度峰值换算烈度 将《中国地震动参数区划图》中的加速度分区等效为基本烈度的规定，并不意味着可以由加速度峰值去换算烈度在国家标准GB18306-2001的提示性附录D中指出：“当涉及地基处理、构造措施或其他防震减灾措施时，地震基本烈度数值可由本标准查取地震动峰值加速度并按表D1确定，也可根据需要做更细致的划分”。其表D1给出了地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表。在相应的宣贯教材中，未对表D1的科学依据和如何进行“更细致的划分”作说明，暂且将表D1解释为“政策性”的规定。从相应的宣贯教材可知，编制地震动参数区划图的数据，是由五套潜在震源区和地震活动性参数的计算结果为基础，考虑到参数不确定影响和与《中国地震烈度区划图（1990）》的过渡，对计算结果进行加权综合，得到每个格点“基岩”场地50年超越概率10%水平下的EPA和EPV值（P62）；在分区时还考虑了与抗震设计规范的衔接等因素（P90）。所以，地震动参数区划图可以理解为加权平均结果。 但是，除极少数Ⅰ级安评工作系采用多方案数据组合的平均值结果为评价依据外，绝大多数安评工作都只是一组数据的结果。由于地震统计区、潜在震源区、地震活动性参数、衰减关系，以及场地土层地震动力反应分析等方面的不确定性，可以用若干个数据组合方案来描述，且不存在唯一正确的方案。因此，采用一组数据方案所得的结果，不可能作为“平均值”看待，也就很难用安评所得的加速度峰值去等效烈度。 综上所述，烈度与加速度在工程抗震设防中的作用不同，其变异性差别也很显著。它们之间是互为补充的关系，绝非相互包容或排斥的关系。作为工程建设部门，选用变异系数较小的标量为主要设防依据是合情合理的。因此，安评工作应当根据抗震设防的实际需求来决定结果的表述形式。就像佳肴制作中的盐与糖，万不可混用。