抗震设计的基本原则图解 十分详细

发生地震时，由于地壳中某个活性断层 突然错动而产生地震波。由于不同类型和速 度的地震波在到达建筑场地之前的传播路 经不同，结果导致不同的局部地面运动。 地面在各个方向作快速的往复运动， 通常以水平方向运动为主，也有垂直方向 的。地面运动的持续时间有多长呢？举个 例子，一次中等强度的地震大约持续10～ 20s，这是比较短的。那么，运动中的最大 振幅是多少呢？典型的如瑞士瓦莱 （Valais）地震，大约6级，和1855年的 瑞士菲斯普（Visp）地震差不多，水平各个 方向的振幅大约可达8cm、10cm，甚至 12cm。在一场6.5级或6.5级以上的地震 中，像1356年的瑞士巴塞尔（Basel）地震， 造成大部分城区及周边环境破坏，地面位 移可达15~20cm或者更大。 建筑物会产生怎样的反应呢？如果 地面快速地往复运动，那么建筑物的基 础也会被迫随之作同样的运动，但是建 筑物本身由于惯性而保持不动，而这将 会引起上部结构产生强烈的振动，结构

和地面之间产生共振现象，也因此导致 结构产生很大的内力，而过大的内力往 往导致结构产生塑性变形和大量的局部 破坏，严重时甚至会引起结构倒塌。 地震对建筑物的影响主要取决于表征 地面运动三个参数的时程特性，即地面运 动的加速度ag，速度Vg和位移dg，以及它 们特定的频谱组成。举例来说，上图所示 为人工合成的瓦莱地震波的线性水平运动 时程曲线。显然，加速度的主频远远高于 速度的主频，而比位移的主频就更高了。 即使地震强度相同，但某一场地的地 震动参数和其他特征参数变化也非常悬 殊。这取决于很多因素，如震源的距离、 方向、深度和震中的发震机理，尤其是局 部土壤特性，如土层厚度和剪切波速等。 与岩石相比，软土特别容易将地震波的作 用局部显著放大。至于建筑物在地震中的 反应，主要取决于结构的自身特性，如自 振频率、结构类型、延性等。 因此，建筑物的设计必须考虑相当多 的变数和不确定因素。

图解建筑抗震概念设计基本原则

强烈地震通常属于破坏力巨大的自然 灾害，也就是说，经历了强震的地区仅靠 自己的力量实现自救无疑是不现实的，此 时必需地区间或国际间的救援。地震往往 造成成千上万人死亡，无数人无家可归， 或者使一个国家蒙受巨大的经济损失。 这类灾难最近的一个例子是2001年 的印度古吉拉特邦（Gujarat）地震，这是 近50年内袭击印度城区的第一个大地震 造成13800人死亡，167000余人受伤， 23000多栋一层和两层的砌体房屋倒塌， 98000多栋损坏。此外，许多生命线工程 被毁或严重损坏，以致在很长一段时期内 丧失了使用功能。由毁损和破坏造成的直

接和间接净损失估计约5亿美元。人员伤 亡、房屋损坏以及直接和间接经济损失严 重阻碍了古吉拉特邦的发展。 据统计，从1950年到1999年，全世 界累计有234次自然灾害被划归为重大自 然灾难[MR00]，其中68次是地震，占总 数的29%。就死难者人数而言，最严重的 地震有1976年的中国唐山地震，造成 290000人死亡；1970年的秘鲁钦博特 （Chimbote）地震，造成67000人死亡。 就经济损失而言测绘标准，最严重的地震有1995 年的日本神户（Kobe）地震，损失达100 亿美元；1994年的美国北岭（Northridge） 地震，损失达44亿美元。

图解建筑抗震概念设计基本原则

如果用死亡人数和经济损失来衡量， 地震占世界范围内自然灾害中的比重最 大，见下图。人们易于认为，地震风险只 是集中在高烈度区，然而这种推论并没有 充分的科学依据。在中、低烈度区，地震 依然是主要的危险。这些地区发生地震的 几率似乎较低，但由于房屋缺乏防震措施， 在灾难来临时往往破坏严重，这反而导致 了更高的地震风险。

除了由地震造成的结构本身破坏，更 多的损失是由次生灾害造成的，如滑坡、 土壤液化、火灾、堤坝溃决、关键生命线 工程破坏、海啸和湖面振荡等。 例如，2001年的圣萨尔瓦多（San Salvador）地震诱发了16000处滑坡，滑 坡毁坏了200000余座房屋；1970年秘鲁 的钦博特（Chimbote）地震触发的巨大滑 坡造成25000余人死亡，超过了死亡总人 数的1/3；在1906年的旧金山（San Francisco）地震中，大多数破坏是由火灾 失控造成的；1995年的神户地震，火灾造 成的房屋毁坏占8%。

地震风险实际上是灾害的产物，它取 决于地震强度、发生的概率、局部土壤特 性，以及建筑群的易损性。随着新建房屋 数量的增加，建筑群也在不断扩大，而很 多新建房屋的地震易损性很高，甚至过高。 出现这种情况，主要是由于在设计中不遵 守抗震设计基本原则和规范中的相关抗震 条款造成的，原因要么是出于无知或图省 事，要么是明知故犯。结果，地震风险仍 在不必要地不断增加。

上述事实清楚地表明，很多国家和地 区的抗震措施严重不足，驱待加强。必须 保证新建房屋的抗震性能，从而防止那些 设计不合理的新建筑不断加入早已受到严 重威胁的建筑群里面。 总之，本书旨在为普及抗震设计基础 知识贡献绵薄之力。

图解建筑抗焦概念设计基本原则

筑抗属概念设计基本原

从方案设计一开始，建筑师和结构工程师即需紧密合作

许多业主和建筑师仍然存在一个认识 上的误区，他们认为结构工程师只要在最 终设计阶段进行计算就可以了。这种认识 是错误的，它可能导致严重后果并显著增 加造价。即使是最精细的计算和构造设计 都无法弥补在抗震概念设计阶段或选择非 结构构件（尤其是隔墙和立面构件）过程 中所犯的错误或失误。

图解建筑抗震概念设计基本原则

效和经济的多功能建筑，然后他们共同选 择与所设计结构的变形能力相协调的隔墙 和立面构件。只有通过这种方法才能获得 最优的设计，而且，建筑师和工程师之间 紧密的、思虑密的合作对业主很有利。 这种合作不能等到计算和构造设计阶段才 开始，而必须始于概念设计阶段，因为只 有这个阶段才能根本决定建筑物抗震性能 和易损性。

图解建筑抗焦概念设计基本原则

BP2 遵循建筑规范中的抗震条款

图解建筑抗震概念设计基本原则

囊易损性，同时提高它们的抗倒塌能力，而 且并不显著增加额外成本。 对建筑规范中抗震条款的无知和无视， 即使是部分忽视，也会产生劣质工程 [Sc00]。且不论房产贬值，可能还要搭上加 固费用和其他额外支出，这笔费用如果用在 设计和施工阶段，也足以保证建筑的抗震能 力了。因此，设计师应该为加固改造费用买 单，如果发生地震，还要与业主共同承担人 员伤亡责任，以及房屋破坏所造成的损失。 加固费用通常要比保证新建建筑具有足够 的抗震能力所需花费多几倍。建筑物使用功 能的中断，如紧急疏散或中断营业，也会造 成相当大的损失。而且，裁定建筑师和工程 师的责任需要经过漫长而复杂的法律程序。 因此，只有通过严格执行规范中的抗震条 款，并将结构计算和验算结果与施工文件 起存档，业主、建筑师、工程师和管理部门 才能维护各自的既得权益。

2/1没有经过现行规范中要求的抗震能力审查的房屋仍在建设，如照片中的这座砌体 没有采取足够的抗震措施，比如增加钢筋混凝土剪力墙。抗震能力不足不但显著降低 个值，而且可能导致民事赔偿责任诉讼（瑞士，2001）。

图2/2像照片中的这类建筑，侧向支撑缺少 或严重偏心，一般不满足现行建筑规范的要 求，可能一场小震就会造成其破坏甚至倒塌 (瑞±, 2000)。

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BP3得益于现代设计方法，不显著增加额外成

BP3得益于现代设计方法，不显著增加额外成本

专亚技不八贝育通以对，建建巩设 计成具有抗震能力会显著增加成本。在瑞 士的一次调查中，他们估计增加的成本介 于总造价的3%～17%。实际上，这种看 法是没有根据的。在一个中强地震活动为 主的国家，保证新建建筑具有足够的抗震 能力并不增加成本，或者即使增加也所费 不多。 但是，确保足够的抗震性能所需费用， 很大程度上取决于在概念设计阶段所选用 的方案和相应的设计方法。在建筑设计以 及概念设计中必须着重考虑抗震问题，原 因在于： ·设计后期阶段再对结构方案进行修 改和调整，可能导致费用剧增，而这些修 改和调整本来可以在设计初期完成，因为 此时建筑设计方案往往也需要修改。 ·值得一提的是，设计方法近来已取 得了重大进展。深入的研究提高了人们 对建筑结构抗震性能的了解，也因此发 明了更加高效的现代设计方法。同过去 的设计方法相比，如果来用现代设计方 法，提高建筑物抗震能力的费用减少了，

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或者在造价相同的条件下，建筑物的抗 震性能明显提高了，其易损性也因此而 降低。延性结构及其配套的设计方法， 即能力设计法特别重要，因为结构构件 可以同时实现多种功能而并不显著增加 成本，如作为抗风支撑的钢筋混凝土墙， 可以通过调整钢筋配置等办法来减少构 件的数量。 现代设计方法的优点和工程应用具体 见参考文献[D0171]。该文介绍了一座七层 商住楼的抗震设计，该楼分别采用了基于 变形的能力设计法和以前的常规设计法进 行设计，文中对比了采用上述两种方法设 计的结果。通过这个例子，能力设计法的 优点可以概括如下： ■显著降低极限状态下的设计地 震力； ■更强的抗倒能力； ■更好的控制变形能力； ■可控制结构在某一设定烈度（对应 于损伤极限状态地震）下的损伤程度； ■更为灵活地改变建筑使用用途； ■造价几乎相当。 后三个优点对于业主尤为重要，主要 是因为可以灵活地调整大多数墙体的布 置，甚至可以考虑拆除它们而不会产生任 何问题。

抗震概念设计和能力设计

抗震概念设计和能力设计

代表承重的钢筋混凝土墙、板、主要的梁和柱 代表抵抗地震作用的钢筋混凝土墙和框架 代表砌体结构墙 图3/1一座士层商住楼采用不同抗

图解建筑抗震概念设计基本原则

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BP4避免形成软弱底层

许多建筑在地震中倒塌是由于在上 部结构中布置了支撑构件如墙体，但在 底层中却忽视了支撑构件的重要作用， 而是用柱子来代替支撑。结果，底层形 成了软弱层。底层柱子通常被地基和上 部结构之间的相对往复运动所破坏。柱 头和柱脚一旦形成塑性铰，塑性变形大 量集中在柱端，结构就会形成危险的摇 罢机制，即楼层届服机制，结果倒塌就 在所难免了。

图4/1一座在建房屋的底层由于形成了摇摆 机制,险些倒塌(意大利弗里奥，1976)。

建筑抗震概念设计基本

图4/2由于底层软弱，形成摇摆机制往往是 无法避免的（土耳其伊兹米特，1999）。

图4/3前排的柱子顺着弱轴方向倾斜，后排的 柱子已彻底破坏了（土耳其伊兹米特，1999)。

图4/5支撑牢固的上部结构落到底层上。

图4/6 破坏后残存的左侧底层柱（日本神户 1995)。

图解建筑抗震概念设计基本原则

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图4/10同样，照片中的这栋既有建筑，藏在 装饰层里面的柱子可能过于柔弱。只要沿横向 加设少量的短钢筋混凝土剪力墙，即可显著地 提高其抗震性能（瑞士，1998）。

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BP5 避免形成上部软弱层

如果结构上部某层的侧向支撑被削弱 或遗漏了，或者其上楼层的水平抗力减少 过多，那么该层也可能成为相对软弱层， 结果同样是形成危险的摇摆机制。

图5/1这栋商业建筑的第三层消失了，因为 上部楼层已经把它压溃了（日本神户，1995）。

图5/2这栋写字楼中间的某一楼层也没有 了，因为该层以上的楼层已经塌到下部楼层 上，整个建筑物发生了旋转和前倾。

图5/3这张特写镜头清晰展示了这栋写字楼 被上部结构压溃的楼层（日本神户，1995）。

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图5/4所有的上部楼层都过于软弱（士耳其伊兹米特，1999）。

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BP6避免支撑布置不对利

支撑布置不对称常常导致建筑物在 地震中倒塌。上面的简图中，只画出了 横向支撑构件，如墙体和桁架，而没有 画出柱子，因为柱子抵抗水平力和位移 的作用很小。但是，柱子应该能够跟随 结构的水平位移运动而不丧失其竖向承 载力。 上图中的每个建筑物都有一个质量中 心M（所有质量的重心），一个抗力中心W （所有结构构件沿着两个主轴方向抵抗水 平力的重心）和一个刚度中心S（剪切中 心）。假设惯性力作用在质量中心上，当抗 力中心和质量中心不重合时，结构就会产 生偏心和扭转。建筑物在水平面内围绕刚 度中心的扭转，使得远离刚度中心的那些 柱子的上端和下端之间产生很大的相对位 移，从而很快导致这些柱子破坏。因此， 抗力中心和质量中心应当重合或尽量接 近，并且通过对称布置抗侧力构件获得足 够的抗扭能力。这些抗侧力构件应当尽可 能沿着建筑物的周边布置，或者尽可能远 离质量中心。

图6/1在这个新型的板柱结构体系中，唯一 用于抵抗水平荷载和位移的抗侧力构件，即照 片中的那个钢筋混凝土楼梯和电梯井筒，被不 对称地布置在建筑物的一角。显然，质心与抗 力中心或刚度中心之间偏心过大，这意味着扭 转可能会使远离井筒的柱子产生很大的相对 位移，并面临冲切破坏的危险。如果在与井筒 位置相对应的其余三个角部，各布置一道贯通 全高的钢筋混凝土墙，可以明显改善结构的受 力性能。如果采用这个补救措施，井筒中的两 面墙可以采用钢筋混凝土，其余两面可以采用 砌体材料，就足以满足抗震要求（瑞士，1994)。

Page 17 图6/2这栋办公楼右后方有一道连续的隔火墙， 而且背面还有更多偏心支撑，该楼明显发生了扭 转，前排的柱子已经破坏（日本神户，1995）。

Page17 图6/2这栋办公楼右后方有一道连续的隔火墙， 而且背面还有更多偏心支撑，该楼明显发生了扭 转，前排的柱子已经破坏（日本神户，1995）。

图解建筑抗震概念设计基本原则

当水平支撑的布置从一个楼层到另一 个楼层发生变化时，支撑可能会出现平面 内偏置（见平面图的上部）或平面外偏置 （见平面图的下部）。尽管花费巨资，也难 以完全抵消支撑偏置导致的弯矩和剪力。 支撑偏置使力的直接传递路径被切 断，结果导致结构的抗力削弱、延性（塑 性变形能力）降低，而其他结构构件，如 楼板和柱子，也会因此产生很大的附加内 力和变形。与支撑沿建筑物高度连续布置 相比，支撑偏置不但增加了建筑物的易损 性，而且通常显著地减少了其抗震能力。 因此，必须完全杜绝支撑偏置。

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图7/1钢筋混凝土墙在竖直平面内发生水平 偏置，将会导致结构构件在地震作用下产生很 大的附加内力和变形，如倾覆力矩会引起很大 的局部竖向力，支撑偏置处的楼板中会产生很 大的附加剪力，基础的内力也会发生重分布， 等等（瑞士，2001)。

BP8刚度和抗力不连续会产生问题

支撑系统的截面尺寸沿着建筑物高度 发生变化会造成建筑物不连续，从而导致结 构的刚度和抗力发生突变，而这种突变将导 致结构动力特性的不规则变化，并且切断了 力的局部传递路径。通常，刚度和抗力自下 而上递增（见立面图的左侧部分）比自上而 下递增要差（见立面图的右侧部分）。总之， 要仔细计算不连续部位的截面内力，其结构 设计和构造设计也要谨慎处理。

图8/1钢筋混凝土剪力墙结构转换为框架结 构会造成结构的刚度和抗力发生显著突变（瑞 ±, 2001)。

图8/2发生地震时，钢筋混凝土悬臂墙（安 全防护网后面）将在本已负荷沉重的底层柱中 产生很高的附加应力（瑞士，2001)。

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BP9每个主轴方向各布置两道大高宽比钢筋混凝土

矩形截面的钢筋混凝土剪力墙最适合 作为框架结构抵抗地震作用的支撑系统。 横墙长度可以设计得相对较短，如3～6m 长或约为建筑高度的1/5～1/3即可，但这 些墙必须沿建筑物的全高布置。大多数情 况下，在中震区，每个主轴方向各布置两 道采用能力设计法设计的大高宽比延性剪 力墙就够了。非结构构件的选用也会影响 支撑系统的尺寸和刚度（参见BP14）。为 了最大限度地降低扭转效应的不利影响， 墙体应当围绕质量中心对称布置，并且尽 可能地沿着建筑物的周边布置（参见 BP6）。考虑到地震力会传递到地面（基础） 上来，最好避免设置角墙。当墙体采用L 形截面或U形截面时，由于截面不对称， 会造成延性构造设计的困难。矩形截面钢 筋混凝土墙（标准厚度为30cm）很容易 设计成延性结构，因而可以保证结构具有 很高的抗震安全度。

图解建筑抗震概念设计基本原则

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图9/1这样设计布置的钢筋混凝土剪力墙只 占用很少的平面和立面空间（瑞士，1994)。

图9/2钢筋混凝土剪力的配筋比较简单， 但在布置钢筋和处理构造时要特别谨慎。照片 中所示为一道采用能力设计法设计的矩形延 性墙，由于抗震加固被增设到一栋既有房屋中 (瑞±,1999)。

图9/3在这座建筑的两端，沿结构的横向各设有一道钢筋混凝土剪力墙。

图9/4这座建筑中的剪力墙成为建筑设计理念中凸显的要素（瑞士，1994）。

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BP10j 避免框架柱和砌体墙混合承重

BP10 避免框架柱和砌体墙混合承重

钢筋混凝土柱或钢柱与砌体墙混合承 重的结构体系非常不利于抗震。柱子与梁、 板一起形成的框架结构，其抗侧刚度比砌 体墙的抗侧刚度低得多，这意味着砌体墙 要承担大部分地震作用。墙体除了承受自 身的惯性力以外，还要承受来自结构其他 部分的力，如图？中左边柱子部分的惯性 力。因此，这种混合体系比纯砌体结构的 抗震能力要小得多。如果地震力或侧移使 砌体墙倒塌，它们将无法继续承重，这通 常引起建筑物的整体倒塌。因此，必须绝 对避免采用柱子和砌体墙的混合体系。 此外，工程实践表明，这种混合体系 由于缺乏灵活性，无法适应日益频繁的使 用功能的调整。拆除墙体不但极大地干扰 用户的正常使用，损害建筑功能[D0171]， 而且成本很高，甚至高达建筑物造价的几 个百分点。一个前后设计一致的骨架结构， 即由柱子（没有砌体承重墙）和一些细高 的贯穿建筑物全高的钢筋混凝土剪力墙组 成。从长远看，这种结构对业主也是有利 的。原因很简单，因为内隔墙是非结构构 件，很容易根据使用要求重新布置。因此，

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也省去了对结构进行大规模的改造。

图10/1这种兼作梯段支撑的剪力墙很容易 在小震中就破坏，可能引起建筑物的整体玥塌 （瑞士，2001)。

BP11避免框架结构中砌体填充墙形成支撑

11避免框架结构中砌体填充墙形成支撑作用

大家仍然普遍认为，框架结构中的砌 体填充墙有助于提高其抵抗水平荷载（包 活水平地震作用）的能力。只有在力比较 小，砌体填充墙基本完好无损的情况下， 这种观点才是正确的。显然，两种变形能 力相差甚远、施工工艺完全不同的结构组 合在一起，其抗震性能很差。框架结构相 对较柔，具有一定的延性，而无筋砌体填 充墙刚度虽然很大，但是很脆，很小的变 形就已经碎裂。在地震初期，填充墙承担 了大部分地震作用，但随着震动的加剧， 填充墙会产生剪切或滑移破坏，原因是没 有竖向荷载作用的情况下摩擦力通常很 小。斜裂缝是砌体填充墙在地震中的典型 破坏特征。 柱子可能比填充墙强，也可能比填充 墙弱。柱子强，填充墙可能会完全破坏散 落；柱子弱，柱子可能会被填充墙剪坏， 而这往往会引起结构倒塌（见BP16和 BP17)

图11/1柱子明显更强，砌体填充墙已经破坏崩 落，但是框架没有倒塌（土耳其埃尔津詹，1992）。

Page25 图11/2这是砌体填充墙更强的例子，尽管柱 子损坏严重，部分已经发生剪切破坏，框架仍 然屹立未倒（墨西哥城，1985）。

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图11/4这些对角“×”形裂缝是框架结构中 体填充墙的典型震害（土耳其伊兹米特，1998

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BP12增设钢筋混凝土剪力墙加强砌体结构

许多国家建造住宅和小型商业建筑 时，传统上喜欢采用无筋砌体结构，它是 由黏土、石灰和水泥砖这些材料组成的。 砌体材料虽然在保温、耐久和承重等方面 具有明显的优势，但它并不适合抗震。原 因在于：一方面，它的刚度较大，自振频 率较高（频率范围位于设计反应谱的平台 段），也因此承受很大的地震作用；另一方 面，无筋砌体相当脆，耗能能力也较差。 般来说，即使在低烈度地区，它的抗震 能力也不足以抵抗地震作用。因此，必须 采取其他加强措施。 一种可行的加强措施是在无筋砌体结 构中增设钢筋混凝土剪力墙，这样可以限制 砌体的水平变形，并维持其承重能力。钢筋 混凝土墙必须设计得足够刚，其中横墙长度 和竖向配筋率是关键控制参数，而且必须能 够承受地震作用，能够将地震作用传递到基

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础上并保持弹性，即钢筋不明显屈服。在设 防地震作用下，钢筋混凝土剪力墙的水平位 移一定不能超过刚度最大的砌体墙（即最长 的砌体墙）的变形能力限值。

图12/1这座新建的多层砌体房屋，因为未设 钢筋混凝土剪力墙加强，在地震中极易受损 (瑞士，2001)。

图12/1这座新建的多层砌体房屋，因为未设 钢筋混凝土剪力墙加强，在地震中极易受损 (瑞士，2001)。

图12/2这栋新建的3层无筋砌体住宅，两道 外纵墙和一道内横墙采用钢筋混凝土剪力墙 来加强（瑞士，2001）。

图12/4当受到剪力、压力或者拉力时，砌体 墙、钢筋混凝土剪力墙和楼板应当能够共同工 作(瑞±, 2001)。

图12/5建议用砂浆灌注砌体承重墙和钢筋 混凝土剪力墙之间的接缝（瑞士，2001)。

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BP13加强砌体承重墙抵抗水平力

BP13加强砌体承重墙抵抗水平力

显著提高砌体结构抗震能力的另一种 方法是：加强一些长墙，提高其纵向抗侧 刚度。若采用这种方法，需保证竖向和水 平方向的最小配筋率，并加强墙体边缘区 或的竖向配筋构造[Ba02]，目的是防止水 平灰缝发生滑移破坏，并保证墙体的整体 延性系数4.≥2。这种配筋砌体可当作抵 抗水平力的砌体剪力墙。在设防地震作用 下，配筋砌体墙的水平位移绝对不能超过 刚度最大的砌体墙（即最长的砌体墙）的 变形能力限值，以保证无筋砌体墙的竖向 承载能力。

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图13/1图13/2配筋砌体需要特制的空心 砖，这种砖要能插入并包住纵向钢筋。世界各 地在不断研发各种新型配筋砌体结构和新型 砖，上面两幅照片展示了黏土砖行业的最新进 展情况（瑞士，1998)。

辅助软件图13/3这种类型的竖向钢筋每隔两皮砖缝用U 形钢筋锚固于顶部和底部。那些将墙体锚固于板 上或下层墙体上的钢筋非常重要（瑞土1998）。

图13/4图13/5可以通过施加纵向预应力 来达到提高砌体墙抗震能力的目的，因为预应 力可显著增加砌体的竖向力(瑞士,1996)。

图13/4图13/5可以通过施加纵向预应力 来达到提高砌体墙抗震能力的目的，因为预应 力可显著增加砌体的竖向力(瑞士,1996)。

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接地线标准图解建筑抗震概念设计基本原则

图解建筑抗震概念设计基本原则

3/6可以通过粘贴碳纤维或钢板加固既有的砌体墙，提高其强度和延性（瑞士，199