建筑抗震设防的基本思想和原则

结构工程师面临一项工程设计任务时，首先要把握的是设计的总原则。

当进行结构的静力设计时，要求结构在规定的荷载作用下处于弹性阶段工作，既有承载能力（强度）的安全储备，也使变形及裂缝处于使用许可的范围内，使之在使用上、外观上均能满足要求，亦即满足两类极限状态的要求。所以，结构抵御静力荷载时，设计者必须遵循的指导思想，是使结构在预期荷载作用下保持或基本上保持在弹性范围内工作。这样的结构如若没有遇到异常的意想不到的情况，在预期荷载下是不可能出现严重破坏、过度变形等不正常状况的。

当进行结构的抗震设计时，要同静力设计一样把不同烈度地震作用下的结构都设计成处于弹性状态工作，实际上是不可能的，因为强震的发生是一种罕见的自然现象，要求在强震下结构也处于弹性状态是不可行的，也无必要。地震这种自然作用既复杂又十分强大，它的发生时间、地点、强度大小、次数等都具有随机性，而设计时又必须予以合理量化，所以抗震设计中的首要问题是要求确定结构在使用期间，对不同频度和强度的地震，结构应具有的抵抗能力，确定以多大的烈度作为设防烈度。同时，结构的设计方法既要客观地反映地震对结构的作用，在概念上又要清晰明确，并能采用与结构静力设计相协调的方法，力求简易可行，便于设计人员掌握。《建筑抗震设计规范》的1.0.1条对这个重要问题做出了明确的规定，提出了“建筑抗震设防的基本思想和原则：以‘三个水准’为抗震设防目标”。

《建筑抗震设计规范》1.0.1条规定：1.0.1 按本规范进行抗震设计的建筑，其基本的抗震设防目标是：

当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需进行修理可继续使用；

当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏、但经一般性修理仍可继续使用；

当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。

《建筑抗震设计规范》1.0.1条的“条文说明”从两个方面对1.0.1条的规定作了明确的说明。

（1）对“抗震设防目标”的说明

遭遇第一水准烈度——众值烈度（多遇地震）影响时，建筑处于正常使用状态，从结构抗震分析角度，可以视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析；

遭遇第二水准烈度——基本烈度（设防地震）影响时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围；

遭遇第三水准烈度——最大预估烈度（罕遇地震）影响时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌。

第一水准烈度为众值烈度（I_m）。此一水准的设计目标是“小震不坏”。

第二水准烈度为设防烈度（I₀）。此一水准的设计目标是“中震可修”。

第三水准烈度为预估的罕遇地震烈度（I_n）。此一水准的设计目标是“大震不倒”。

“小震不坏，中震可修，大震不倒”实际上就是“多遇地震下不坏，设防烈度下可修，罕遇地震下不倒”的简便说法。这样，小、中、大震的三个概率水准就明确了，定量化了。然而，衡量整个结构损坏的程度却仍是相对的，“不坏”指的是建筑物经地震后的破坏程度在日常维修的范围内；“可修”指的是“小坏”或“中坏”，是泛指有修复价值的损坏；与“不倒”相应的是建筑结构主体的严重破坏，虽已无修复价值，但是只要不倒，生命和财产的损失就可得以大大减轻。总之，要强调指出，结构抗震设计的总原则不是避免结构的损坏，而是竭力从各方面提高其整体变形能力，防止倒塌。

（2）对“二阶段设计”的说明

第一阶段设计是承载力验算，取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，继续采用《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068规定的分项系数设计表达式进行结构构件的截面承载力抗震验算，这样，既满足了在第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足第二水准的损坏可修的目标。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，对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。

为了实现上述三水准抗震设防目标，《建筑抗震设计规范》采用了简化的两阶段设计方法。

（1）第一阶段设计为“小震”作用下的构件截面抗震承载力验算和相应的构造措施。具体地说，是以多遇地震（第一水准）下的弹性地震作用作为设计指标，进行构件内力分析。然后用与设防烈度（第二水准）相应的多系数表达的抗震承载力验算公式验算结构构件（这一多系数表达式的形式与静力设计中的实用设计表达式很相似），此时各构件的材料强度采用设计值。与静力设计的一个重要不同是引入了承载力抗震调整系数（γ_RE），以反映不同材料和不同受力状态下所具有的不同可靠度。这样，就同时满足了第一、第二水准的要求。但对于较柔的结构（例如框架结构），还要进行正常使用状态下的弹性层间位移验算。

在这一设计阶段中，要根据概念设计采取有效的抗震构造措施，从而使大多数结构可以定性地满足第三水准的要求。

强烈地震震害表明，对于大多数建筑结构只需进行第一阶段设计即可做到“大震不倒”，其中包括多层砌体房屋结构。

（2）第二阶段设计为“大震”作用下的弹塑性变形验算，并采取提高结构变形能力的构造措施，目的是防倒塌。此时首先要寻找结构的薄弱层（层间位移相对较大的楼层），然后计算并控制其在大震作用下的弹塑性层间变形，使之不超过规范的规定值。例如对于多层砌体房屋结构中的底层框架-抗震墙砌体结构，需进行此阶段设计，因为这类结构的底层是明显的薄弱层。对大多数结构，则无需进行第二阶段设计。

现以钢筋混凝土柱从开始受力到结构破坏全过程的柱顶水平力P与柱顶水平侧移Δ的P-Δ曲线为基础，用图示方法来讨论“三水准设防、两阶段设计”中结构的受力和变形之间的状态和关系，分成单根柱、单层柱群、多层框架三种情况来讨论。

1）单柱的P-Δ曲线。对于图1.3.1a所示单独悬臂柱，当柱上端作用水平剪力P时，柱端产生水平侧移为Δ。

图1.3.1 单悬臂柱的P-Δ曲线

a）悬臂柱 b）P-Δ曲线 c）简化的P-Δ曲线

试验所得的P-Δ关系可以用图1.3.1b表示。如进一步简化，P-Δ关系也可用图1.3.1c中的OAB折线表示，A点对应于柱根开始屈服，其荷载值为P_y，A点对应的水平侧移为Δ_y；OAB为柱根的屈服过程，B点对应于柱根的破坏，其水平侧移为Δ_u，OAB折线所覆盖的面积表示所吸收的变形能。

图1.3.2a所示为一两端嵌固柱受层间剪力作用，简化的P-Δ关系如图1.3.2b所示。其中A点表示某一柱端开始屈服，但另一端尚未屈服，这时整个柱子不算完全屈服，荷载仍能沿AB上升，直到B点，另一端也开始屈服，整个柱子完全屈服，并沿BC发展侧移，到C点整个柱子宣告破坏。

图1.3.2 两端嵌固柱的P-Δ曲线

a）两端嵌固柱 b）P-Δ关系

2）单层楼层柱群的P-Δ曲线。图1.3.3a表示有若干根柱所组成的单层楼层，柱的两端均为嵌固端，在受楼层层间剪力P作用时，其P-Δ曲线如图1.3.3b所示。当楼层中某柱的某一端首先达到塑性变形时，即到达A坐标点，相应的楼层侧移为Δ_y；而后，随着各个柱端逐个屈服，P-Δ曲线将沿AB多边折线发展，直到B点，全部柱端屈服，形成“机构”，楼层沿BC发展塑性变形，直到C点整个楼层破坏，相应的楼层侧移为Δ_u。由此，整个楼层P-Δ关系可以分为三个范围（见图1.3.3b），范围1为弹性未屈服范围，范围2为有约束屈服范围，范围3为无约束屈服范围。

图1.3.3 单层楼层柱群P-Δ曲线(www.xing528.com)

a）楼层间剪力P作用 b）P-Δ曲线

根据理论分析及实际震害情况，钢筋混凝土结构在使用阶段或是在多遇烈度地震作用时，结构处在范围1的工作阶段，结构可以用弹性理论分析内力。当作用消失后，变形也就自然地作弹性恢复。

在基本烈度地震作用时，结构已进入范围2的弹塑性阶段工作，实际上已无强度安全储备可言，而是依靠结构的弹塑性变形耗能能力抵抗地震作用。结构抗震设计就是把结构的工作状态限制在范围2内，保证“坏而可修”。抗震设计就是要设法延长这一阶段，以提高结构的抗震性能。

在罕遇烈度地震作用时，设计上仍保证结构能在范围2内工作，与基本烈度地震作用时相比，只是程度上不同，保证“坏而不倒”。

3）框架结构的P-Δ关系。图1.3.4a表示一框架结构按“强柱弱梁”设计，塑性铰均出现在梁端，顶部作用一水平集中力P，顶部的水平位移为Δ_u。现将钢筋混凝土框架结构破坏的全过程列于图1.3.4b。当水平力P从零开始加载，初期梁上没有塑性铰，P-Δ曲线沿OA方向线性发展，A点表示第一个塑性铰出现，这时弹性未屈服阶段终止，OA线是一条直线。P-Δ曲线的AB段表示随着水平力的增加又有部分梁上出现塑性铰，由于塑性铰的数量很少，故AB线还是十分接近一条直线，因此称准弹性阶段。P-Δ曲线进入BC段时，因水平力P已经很大，大部分梁端产生塑性铰，故顶部水平位移发展较快，C点表示该框架的有关梁端塑性铰已经全部形成。P-Δ曲线进入Cu段时已经达到破坏阶段。整个框架结构的P_-Δ关系可以分为四个范围，范围1为弹性未屈服范围，范围2为准弹性范围，范围3为有约束屈服范围，范围4为无约束屈服范围。在P-Δ关系图的横坐标上还表示出了“三水准设防”中每一种设防水准在框架结构破坏全过程中所处的工作状态；同时还列出“二阶段设计”中每一阶段所涉及的设计内容是解决哪一受力区段的问题。

图1.3.4 框架结构破坏全过程

a）梁铰机制 b）P-Δ关系

【例1.3.1】 按《建筑抗震设计规范》基本抗震设防目标设计的建筑，当遭受本地区设防烈度的地震影响时，建筑物应处于下列何种状态（ ）。

（A）不受损坏

（B）一般不受损坏或不需修理仍可继续使用

（C）可能损坏，经一般性修理仍可继续使用

（D）严重损坏，需大修后方可继续使用

答案：（C）

根据《建筑抗震设计规范》第1.0.1条，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。

【例1.3.2】 按我国抗震设计规范设计的建筑，当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物应（ ）。

（A）主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用

（B）可能损坏，经一般性修理或不需修理仍可继续使用

（C）不致发生危及生命的严重破坏

（D）不致倒塌

答案：（A）

根据《建筑抗震设计规范》第1.0.1条，当遭受低于本地区抗震设防烈度的地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用。

【例1.3.3】 某建筑物，其抗震设防烈度为7度，根据《建筑抗震设计规范》，“小震不坏”的设防目标是指下列哪一条？

（A）当遭遇低于7度的多遇地震影响时，经修理仍可继续使用

（B）当遭遇低于7度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用

（C）当遭受7度的地震影响时，不受损坏或不需修理仍可继续使用

（D）当遭遇低于7度的多遇地震影响时可能损坏，经一般修理仍可继续使用

答案：（B）

根据《建筑抗震设计规范》第1.0.1条，“小震不坏”是指当建筑遭遇低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用。

【例1.3.4】 某建筑物，其抗震设防烈度为8度，根据《建筑抗震设计规范》，“大震不倒”的设防目标是指下列哪一种？

（A）当遭受8度的地震影响时，不致发生危及生命的严重破坏

（B）当遭受8度的地震影响时，一般不致倒塌伤人，经修理后仍可继续使用

（C）当遭受高于8度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌，经一般修理仍可继续使用

（D）当遭受高于8度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏

答案：（D）

根据《建筑抗震设计规范》第1.0.1条，当遭受高于抗震设防烈度（8度）的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。