从欧洲抗震设计规范的一般规定浅谈结构抗震概念设计的重要性

第31卷第5期

2011年10月地震工程与工程振动JOURNALOFEARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATIONVol．31No．5Oct．2011文章编号：1000－1301（2011）05－0190－06

从欧洲抗震设计规范的一般规定浅谈

结构抗震概念设计的重要性

赵

摘真，谢礼立（中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080）要：由于地震的作用以及在这种作用下的结构与构件的受力状况的复杂性和不确定性，结构抗

震设计的计算假定与实际情况存在各种差异，甚至有时还根本无法计算。因此在这种情况下，为确

保抗震结构性能，就不得不依赖结构抗震的概念设计。结构抗震概念设计是指工程师们根据结构地

震破坏的形态和长期积累的实际工程经验等总结形成的符合工程师专业知识的基本设计原则和设

计思想。本文简述了欧洲抗震设计规范EC8中关于结构抗震概念设计的基本原则和一般规定，探讨

了结构抗震概念设计的目的及其在工程应用中的重要性，指出目前我国还没有一套全面系统的结构

确保结构的安全耐久性，结构抗震概念设计抗震概念设计理论。为切实地做好结构抗震设计工作，

理论的研究将是一项非常重要而有意义的工作。

关键词：结构抗震概念设计；欧洲抗震设计规范；建筑抗震设计规范

中图分类号：P315．69文献标志码：A

Abriefdiscussiononimportanceofseismicconceptdesign

ofstructuresbasedongeneralrulesofEurocode8

ZHAOZhen，XIELili

（InstituteofEngineeringMechanics，ChinaEarthquakeAdministration，Harbin150080，China）

Abstract：Duetothecomplexity＆uncertaintyoftheloadbearingofstructureelementsundertheseismicaction，variousdifferencesexistbetweentheassumptionsofseismicdesignandactualconditions，sometimesevenunabletocompute．Toensuretheseismicreliabilityofstructures，thekeypointistoperformtheseismicconceptdesign．Theseismicconceptdesignofstructuresisthebasicprincipleanddesignideainaccordancewiththeprofessionalknowledgeofengineersacquiredfromtheseismicstructuraldamageandengineeringpracticeexperience．Inthis

thebasicprincipleandgeneralguidingrulesonseismicconceptdesignofEurocode8arebrieflyintroduced，paper，

andthepurposeofseismicconceptdesignandtheimportanceofitsapplicationtoengineeringpracticearedis-cussed．Finally，itisindicatedthataseriesofcomprehensiveandsystematictheoriesonseismicconceptdesignofstructuresdoesnotexistinChinapresently．Tocarefullyperformtheseismicdesignofstructuresandensuretheirsafetyanddurability，theresearchonseismicconceptdesignofstructureswillbemoreandmoreimportant．Keywords：seismicconceptdesignofstructures；Eurocode8；codeforseismicdesignofbuildings

引言

地震是一种可能引发严重危及人们生命财产安全的具有突发性和破坏性的自然现象。20世纪全世界收稿日期：2011－06－14；

作者简介：赵修订日期：2011－08－15基金项目：中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（2009B04）；国家科技支撑计划课题（2009BAK55B01）mail：zhaozhen@iem．cn真（1982－），女，博士研究生，主要从事地震工程与结构抗震设计方面的研究.E-

因地震死亡的人数占各种自然灾害所造成死亡人数总和的58%，地震灾害可谓群灾之首。尤其是进入21世纪，印度尼西亚的特大地震和海啸、汶川8．0级大地震、智利8．8级大地震、海地7．3级地震、新西兰6．3级地震、日本9．0级大地震等接踵而至。强烈地震不时袭击人类，导致了一场场可怕的灾难。我国是一个地震多发且灾情严重的国家，防震减灾是一项长期、艰巨的任务。2004年，国务院在总结我国防震减灾工作的

根据经济社会发展进程的要求，适时提出了新时期防震减灾的奋斗目标，即“到2020年，我国基本基础上，

具备综合抗御6级左右、相当于各地区地震基本烈度的地震的能力，大中城市、经济发达地区的防震减灾能

。这一奋斗目标的提出，力力争达到中等发达国家水平”对我国新时期防震减灾事业的发展产生了重要影

响和指导作用。

随着科学技术的进步及城市化进程的加快，林林总总的建筑物如雨后春笋般陆续建成，鉴于以往国内外地震所造成的巨大财产损失和人员伤亡，以及对社会的和谐、可持续发展所造成的巨大影响，如何提高建筑结构的抗震设计水平是当前需要面对并努力解决的重要课题。地震科学的研究现状表明，目前还不能精确

［1，2］。由于地震的破坏作用以及在这种作用下的结构与构件的受强度和时间地给出未来地震发生的地点、

力状况的复杂性和不确定性、人们对地震时结构响应认识的局限性与模糊性、以及计算模型的各种假定与实际情况的差异，无论计算理论和工具如何发展，计算怎样严格，计算的结果只是一种比较粗略的估计，甚至有时还根本无法进行计算。因此在设计中，仅仅依靠理论计算往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标。在不确定性因素多、受力状况复杂的结构抗震设计中，概念设计的应用尤其显得重要和突出［3］。

1结构抗震概念设计的提出

20世纪初期，世界上几个地震活动性频繁的国家在建筑规范中首先提出抗震设计条款，随着地震工程

这些早期的抗震规范条款不断地补充、升级。20世纪70年代以来，人们在总结历次地震灾害科学的发展，

的经验中逐渐认识到，对结构抗震设计而言，有时结构概念设计往往要比结构计算设计更为重要。单凭微观的数学和力学原理计算结果往往还很难确保结构在遭遇地震时能实现预期的设计结果，使之具有良好的抗震性能［4，5］。结构抗震概念设计愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。

［4］瑞士苏黎世联邦理工学院HugoBachmann教授于2002年撰写了《建筑抗震概念设计》一书，通过震

害实例，分类讨论了结构构件及非结构构件的抗震概念设计基本原则，书中图文并茂、通俗易懂，为结构工程师们在具体工程实践中总结出来的抗震理念提供了有力的理论依据。王亚勇教授在汶川地震震害调查后，

［6，7］指出《建筑抗震设计规范》关于抗震设计基本要求、即概念设计的规定，对于结构抗震性能具有重要意一幢抗震性能优良的建筑除了进行必要的结构计算之外，更为重要的是概念设计。对于结构工程师来义，

说，抗震概念有时要比使用设计软件更难把握。清华大学、西南交通大学、北京交通大学土木工程结构专家

［9］组也曾在汶川地震震害调查报告中指出，震害调查表明仍然有许多问题值得进一步深入研究和改进，特

别是在结构概念设计、管理制度、经济投入和施工质量控制等方面，还需不断完善和改进，提高我国的整体抗震防灾水平。

2010年12月我国开始实施的《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）［10］对概念设计的要求作了更进更符合实际的规定，使得概念设计在工程中的应用更加具体地落到了实处。一步、

2结构抗震概念设计的涵义

结构抗震概念设计是指由工程师们根据结构地震破坏的形态和长期积累的实际工程经验等总结形成的符合工程师专业知识的基本设计原则和设计思想。

随着结构抗震设计方法和技术的不断发展，抗震概念设计已逐渐为大多数结构工程师所接受。国内外

［11－15］，很多学者从各个不同的角度和方面分析阐述了结构概念设计的具体问题并指出了概念设计在结构抗

［16］震设计中的重要性。龚思礼教授曾指出，结构抗震设计是一项非常复杂的工作，涉及地震活动、结构及其

在地震作用下的反应等问题；因此，在当前的技术条件和认知条件下，仅依靠严格的计算尚不能确保结构安全可靠。鉴于此，国内外的研究学者提出了结构抗震概念设计，这一方法已被许多国家的抗震规范采用［17］。

结构抗震概念设计的总体目标概括说来应该有以下几点：尽量保持结构整体性以及整体的稳定性；尽量保持结构的质量和刚度沿结构分布的均匀性和对称性；尽量确保结构构件传递地震力的合理性和简洁性；尽量避免上部结构与其地基和基础之间可能出现的潜在共振作用；尽量使整个结构体系及其子体系能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现复杂的受力状态特别是应力集中的状态。如果地震能量的聚散仅集中在少数的薄弱部位，必会导致结构过早破坏；因此现阶段很多抗震设计方法的前提之一就是假定整个结构能发

在此前提下才能以多遇地震作用进行结构计算、构件截面设计并辅以相应的构造措挥耗散地震能量的作用，

施，必要时采用弹性时程分析法进行补充计算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标［18］。

3结构抗震概念设计的重要性

为提高建筑结构的抗震性能、最大限度地确保人民群众的生命财产安全，通过概念设计从宏观上控制结构的总体抗震能力是非常重要的。一个设计优良的结构，概括来说应该是“美观、经济、安全、适用”的完美匹配。

概念设计的重要性，主要体现在以下四个方面：一是因为虽然现阶段计算理论和方法多种多样，然而尚

很难充分考虑结构的空间反应和材存在大量无法计算的构件设计；再加上结构在地震作用下受力状况复杂，

计算结果必然存在着不准确性；二是由于在建筑结构总体设计方案的初步阶段，很料特性等多种复杂因素，

难借助于计算机来实现；这就需要结构工程师综合运用在具体工程实践中总结出来的抗震理念，选择最能满足美观、经济、安全、适用的结构方案；三是随着计算机科技的飞速发展，各种设计软件层出不穷，使得结构设计人员越来越依赖于计算机和软件的应用，不能及时发现计算结果的不合理性、甚至是出现严重的错误，给许多的建筑结构留下安全隐患；四是许多地震工程专家指出，在结构抗震理论远未达到很科学严密的今天，单靠理论计算很难使建筑物具有良好的抗震能力，着眼于结构总体抗震能力的概念设计在结构抗震设计中具有非常重要的地位［19－22］。

4欧洲抗震设计规范EC8对结构抗震概念设计的一般规定

欧洲抗震设计规范EC8的宗旨是减轻建筑的地震破坏，保护人民生命安全，确保重要建筑在地震后仍［23］［24］然可用。它的抗震设防目标为双水准设防目标，即不倒塌设防目标和限制破坏设防目标。在规范总则的第4章，对结构抗震概念设计做了一些明确规定

。

结构抗震概念设计的基本原则是在抗震设防

地区，首先要考虑该地区的地震危险性，从而使结

构体系在可接受的预算范围内满足基本的抗震设

防目标，即双水准设防目标。抗震概念设计的一般

指导性原则可概括为：（1）结构构件传递地震力的

合理性和简洁性；（2）结构的质量和刚度沿结构分

布的均匀性和对称性；（3）结构具有双向抗力和刚

度；（4）结构具有扭转抗力和刚度；（5）结构的整体

：性和整体稳定性；（6）选择合理适当的基础。

4．1结构构件传递地震力的合理性和简洁性

图1不规则建筑在汶川地震中倒塌破坏

Fig．1IrregularbuildingcollapsedinWenchuanEarthquake结构构件传递地震力的合理性和简洁性表现为结构体系宜具有清楚、直接的地震作用传递途

径，以避免出现复杂的受力状态。由于简单结构的

模型、分析、细节以及建造的不确定性较小，因而其预估的抗震性能将会可靠得多。图1所示是都江堰地区的一栋钢混框架砖混填充墙的建筑，该建筑平面与垂直布置均不规则，底层为薄弱层，整个结构体系受力复杂，在2008汶川地震中倒塌破坏。

4．2结构的质量和刚度沿结构分布的均匀性和对称性

结构抗震概念设计要确保一致性、对称性和冗余度。平面内的一致性表现为结构各子单元均匀分布，使

得惯性力的传递途径短而直接，防止产生复杂的扭转振动，如图2所示。沿结构高度的一致性也是非常重要的，结构刚度、承载力沿结构高度应均匀、连续分布，以避免或减少出现复杂的摇晃以及应力集中或塑性变形集中的薄弱区产生。

抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构

［3］件应有较高的延性和适当刚度，使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能。采用均匀分

布的结构单元可适当地增加冗余度。

图3中所示秘鲁皮斯科地区某建筑上下刚度和承载力变化不均匀，导致产生薄弱层，在2007秘鲁地震中受到严重破坏

。

图2

Fig．2沿结构高度的一致性示例Fig．3Example：Uniformityalongtheheightof

structures图3薄弱层在地震中受损

Softstoreydamagedintheearthquake

4．3结构具有双向抗力和刚度

水平的地震作用有两个方向的分力，因此结构应具有双向抵抗力。为满足这一要求，结构单元可在平面内正交布设，以确保在两个主方向均具有足够的抗力和刚度，如图4所示。

4．4结构具有扭转抗力和刚度

除了侧向抗力和刚度外，结构还应具有扭转抗力和刚度。主要的结构构件应在结构外围沿抵抗地震作用方向分布，如图5所示

。

图4

Fig．4双向抗力和刚度示例Fig．5图5扭转抗力和刚度示例Example：Bi－directionalresistanceand

stiffnessExample：Torsionalresistanceandstiffness

图6中所示框架结构两边单元开间大小不一，致使结构刚心偏移，地震作用对房屋产生较大的扭转效应，导致框架柱严重受损破坏，使房屋倾斜坍塌。

4．5结构的整体性和整体稳定性

结构构件与楼板应正确连接，并具有足够的平面内刚度。在建筑结构中，楼板面（包括屋顶）在结构的抗震性能中起着举足轻重的作用。它们就像水平的隔板收集并传递惯性力到竖向的结构体系，确保整个体系抵抗水平地震作用。楼层体系和屋顶为结构提供平面内刚度和抗力，应确保其与竖向结构体系有效地连接在一起，保证结构的整体稳定性。

四川省江油市石元乡明德小学经受了汶川地震的考验，教学楼在震后基本保持完好，如图7所示。该建筑为砖混结构，采用了圈梁和构造柱；且在外廊设置了构造柱，增强了结构的整体性，使结构构件与楼板有效地连接在一起，保证了足够的刚度。

图6

Fig．6框架结构扭转破坏图7Fig．7明德小学校舍基本保持完好MingdepreliminaryschoolTorsionaldamagetoframe

structuresbuildingsurvivedalmostintact

4．6选择合理适当的基础

基础的设计和建造应确保整个结构可以抵抗地震冲击力。如图8（a）所示，秘鲁皮斯科地区某医院新旧两栋建筑在地震中不同程度受损；左侧的新建建筑由于地基坚固，仅受到了轻微的损伤（如图8（b））。对于由多个分散的结构墙组成的结构，可能其宽度和刚度都不同，一般建议采用坚固的箱型基础。对于具有独立基础构件（基脚或桩支撑）的结构，建议采用基础梁板或连系梁在两个主方向将这些单元连接起来

。

图8

Fig．8秘鲁皮斯科地区某医院在地震中受损HospitalbuildingsdamagedinPisco，Peru

以上是欧洲抗震设计规范EC8中关于结构抗震概念设计的基本准则和一般指导原则。

5结论

在过去的半个世纪里，地震工程研究在全世界地震多发国家发展迅速。通过新的研究和总结地震灾害的经验和教训，抗震规范条款不断地得到补充、升级。抗震概念设计也越来越得到重视。欧洲规范EC8中

（GB已明确列出了抗震概念设计的基本原则和条款。2010年12月我国开始实施的《建筑抗震设计规范》

50011－2010）对概念设计的要求也作了更进一步、更符合实际的规定，使得概念设计在工程中的应用更加具体地落到了实处。然而，在我国目前尚没有一整套系统的结构抗震概念设计理论；结构工程师理论水平的不一致，导致概念设计在实际应用中方法多样，不能确保结构的安全耐久性。因此，结构抗震概念设计理论的研究将是一项非常重要而有意义的工作。

参考文献：

［1］国家地震局工程力学研究所编.刘恢先地震工程学论文选集［M］．北京：地震出版社，1994．

［2］胡聿贤．地震工程学［M］．北京：地震出版社，1988．

［3］唐兴荣．高层建筑结构设计［M］．北京：机械工业出版社，2007．

［4］HogoBachmann．SeisminConceptualDesignofBuildings－Basicprinciplesforengineers，architects，buildingowners，andauthorities［M］．

2002．FederalOfficeforWaterandGeology，

［5］郭志奇．结构概念设计的探索性理解与应用［J］．五邑大学学报（自然科学版），2006，20（1）：74－78．

［6］王亚勇．汶川地震震害启示：抗震概念设计问题［C］//汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告．汶川地震建筑震害分析与重建研讨

2008．会，

［7］WangYayong．Lessonslearnedfromthe“5．12”WenchuanEarthquake：evaluationofearthquakeperformanceobjectivesandtheimportanceof

seismicconceptualdesignprinciples．EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration［J］．2008，7（3）：255－262．

［8］袁一凡．四川汶川8．0级地震损失评估［J］．地震工程与工程振动，2008，28（5）：10－19．

［9］清华大学，2008，29（4）：1－9．西南交通大学，北京交通大学土木工程结构专家组．汶川地震建筑震害分析［J］．建筑结构学报，

［10］GB50011－2010建筑抗震设计规范［S］．

［11］ArnoldC．Buildingconfiguration：characteristicsforseismicdesign［C］//ProceedingsoftheSeventhWorldConferenceonEarthquakeEngineer-

ing，Sept，8－13，1980，Istanbul，TurkeyP．P，Vol．4．

［12］ArnoldC，ReithermanR，Buildingconfigurationandseismicdesign［M］．JohnWileyandSons，INC，NewYork，1982．

［13］GeroJS．Creativity，EmergencyandEvaluationinDesign［J］．KnowledgeBasedSystem，1996，9（7）：435－448．

［14］杨俊华．概念设计与结构措施［J］．工业建筑，2003，2，2（33）：38－40．

［15］戴航，刘伟庆．结构设计中的整体概念设计［J］．南京建筑工程学院学报，1995，34（3）：26－31．

［16］龚思礼，周锡元，1992：1－52．符圣聪，等．建筑结构抗震设计新发展［M］．北京：中国建筑工业出版社，

［17］GB50011－2001建筑抗震设计规范［S］．

［18］高小旺，2002．龚思礼，苏经宇，等．建筑抗震设计规范理解与应用［M］．北京：中国建筑工业出版社，

［19］高立人，王跃．结构设计的新思路———概念设计［J］．工业建筑，3，2004．

［20］郁彦．高层建筑结构概念设计［M］．北京：中国铁道出版社，1999．

［21］陈教洪．谈概念设计在建筑结构设计中的应用［J］．建材与装饰（中旬刊），2008（2）：12．

［22］李爱群，高振世．工程结构抗震设计［M］．北京：中国建筑工业出版社，2008．

［23］BSEN1998－1：2004Eurocode8：Designofstructuresforearthquakeresistance—Part1：Generalrules，seismicactionsandrulesforbuildings

［S］．

［24］范

63．力，赵2006，22（6）：59－斌，吕西林．欧洲规范8与中国抗震设计规范关于抗震设防目标和地震作用的比较［J］．结构工程师，

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