1.概念设计的提出

自唐山大地震以来，中国地震专家及其科技人员通过长期分析研究地震所造成的危害，对地震的经验不断总结，对地震的破坏规律有了更深刻的认识，提出了概念设计的设计理念，要使结构具有良好的抗震性能和足够的抗震能力，概念设计比结构设计更为重要。它主要通过对钢筋混凝土框架结构震害的统计分析，阐述抗震概念设计的有关问题。通过建筑场地的选择、地基基础的设计、结构体系及结构构件的抗震设计等方面的分析，明确概念设计的原则和要求，特别是针对工程实际中的钢筋混凝土结构的延性设计问题，总结延性设计的要点及其实现方法，从而消除建筑中的薄弱环节，提高房屋结构的整体抗震性能。

国内外历次大地震中，钢筋混凝土结构房屋一般具有较好的抗震性能。但是由于设计、施工质量不良或使用不当而造成的钢筋混凝土结构房屋在地震中遭遇震害的情况，亦屡见不鲜。主要表现为以下几个方面：

（1）结构体型不当引起的震害。

1）平面刚度分布不均匀、不对称产生的震害。建筑平面复杂，结构刚度不对称，地震时容易引起扭转和局部应力集中。如1976年唐山地震中，汉沽化工厂的一些框架厂房因平面形状和刚度不对称，产生了显著的扭转，从而使角柱上下错位、断裂。

2）结构竖向不规则刚度突变产生的震害。结构刚度沿竖向分布局部削弱或突然变化时，在地震中往往形成薄弱部位，产生较大的应力集中或塑性变形集中。如1988年前苏联亚美尼亚地震中，下层柔性柱上层抗震墙或砖墙的柔性底层房屋的震害也很严重。有不少多高层房屋，因沿竖向刚度分布不合理而导致中间层破坏或倒塌。1971年2月9日美国圣·佛尔南多地震中，OliveView医院主楼严重破坏，该楼为六层钢筋混凝土结构，1～2层为框架、3～6层为框架—剪力墙，上下刚度相差10倍。地震导致柔性的底部框架柱严重酥裂，产生很大的塑性变形侧移达60cm。相反，若为上柔下刚结构，由于鞭梢效应上部震害加重。

（2）场地影响产生的震害。场地、地基对上部结构造成的震害表现在两个方面：①地基失效引起上部结构破坏，一些房屋上部结构本身无损坏，但由于地基承载力的下降或地基土液化造成房屋倾斜、倒塌而破坏；②场地土卓越周期引起的震害。许多震害现象表明，场地周期特性与建筑物震害影响关系较大，如1970年3月28日土耳其的Gdeiz地震中，某工厂的一幢现代化钢筋混凝土结构建筑发生倒塌，而与其相近的其他房屋都没有破坏。大量理论分析和试验研究证实这幢房屋具有一定的强度，且符合当时的规范规定，倒塌的唯一原因是场地土和结构周期明显一致而发生的共振。一般地讲，软土地基的地面运动的卓越周期长，对自振周期较长的高层建筑，尤其框架结构易产生共振。

（3）承重结构承载力不足或变形过大而造成的破坏。震害一般为：柱端及节点破坏较为突出；梁轻柱重，柱顶重于柱底，短柱震害重于一般柱，角柱边柱更易破坏。原因是角柱的受力状态要比其他内柱复杂，处于双向偏压状态，又是受扭转剪力最大的地方，但受横梁约束的条件又相对减弱。

（4）防震缝宽度不足产生震害。由于防震缝宽度不足，房屋发生碰撞，使建筑物局部遭到破坏。

（5）填充墙的震害。在水平地震作用下，填充墙与框架是共同作用的。由于填充墙早期刚度大，吸收了较大的地震作用，而其抗剪强度很低，所以砖砌填充墙的震害重于框架结构。震害规律是上轻下重，空心砌体墙重于实心砌体墙，砌块墙重于砖墙。

鉴于地震的极大危害性，且地震灾害往往具有突发性和毁灭性，因此在地震作用下，建筑物结构受力情况是十分复杂的，而现行的结构分析和设计理论是建立在一系列简化前提和假定的基础上的，未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，这就造成分析结果的不准确性，为最大程度减小损失，人们在总结地震灾害经验中提出了概念设计的设计理念。

概念设计是指在计算或规范中，对难以做出具体规定的问题，由设计人员运用各种力学知识进行概念的分析判断，并采取相应措施的设计方法；即正确地解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。其中概念主要表现在：结构的破坏机理和力学模型、地震反应以及以往的震害分析等。概念设计并不应只由结构设计人员单独完成，它应贯穿于建筑方案的确定到结构布置的整个过程中。进行合理的概念设计，将有助于明确设计思想，灵活、恰当地运用设计原则，使设计人员不致陷入盲目的计算工作中，从而做到比较合理地进行结构设计。

实际工作中抗震设计应该包括抗震构造设计、抗震计算设计和抗震概念设计三个方面。抗震构造设计是指对难以用计算方法定量分析而又确实存在的结构可能破坏处采取一定的构造措施来增强结构的抗震性能，如最小配率、构件的最小截面尺寸、钢筋节点锚固和箍筋加密构造柱、圈梁的设置等均属于构造设计。

抗震计算设计是运用力学的方法定量分析结构的地震反应，以保证结构具有足够的强度和刚度。但是，由于结构计算模型与实际的差异及地震的不确定性和复杂性，结构的抗震计算只能是在假设条件下的计算，具有一定片面性。因此，概念设计在地震区的抗震设计中是非常重要的，它贯穿于抗震设计的各个环节，大多数结构是用抗震概念设计与抗震构造措施共同来保证抗震设防第三水准目标（即大震不倒）的。可以说，未经抗震概念设计的结构不能称为抗震结构。建筑抗震概念设计主要有以下几方面的内容：房屋平立面规则性要求规则建筑的结构体型（平立面）简单，结构抗侧力构件的刚度和承载力在平面内规则、对称，在竖向则上下连续且均匀，即在平面、竖向和抗侧力体系上没有明显的和实质上的不连续（突变）。只进行计算设计还不能够保证结构薄弱环节的抗震，只有进行良好的概念设计，才能从根本上消除抗震薄弱环节，保证结构总体具有较强的抗震能力。概念设计强调：在建筑物设计一开始，就应该处理好能量输入、房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，就有可能使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。

实践证明，没有做好抗震概念设计，就难免会在地震时使建筑物发生严重破坏，乃至倒塌。

2.结构抗震概念设计的基本内容

表3.15　L、l的限值(www.daowen.com)

（1）建筑设计应重视结构的规则性。结构平面布置受力明确，传力直接。结构平面宜均匀、对称，减少扭转的影响。在抗震设防区，多高层建筑要有利于抵抗水平和竖向荷载，平面形状宜简单对称、规则，传力直接，体形尽量简单，以减少震害。当建筑平面复杂时，应通过设置变形缝来划分结构平面单元，使每个结构单元的平面满足上述要求。在A级高度钢筋混凝土高层建筑结构中，非抗震设计中框架结构的高宽比不宜超过表3.15中的值；抗震设计中，设防烈度6度、7度时框架结构高宽比限值为4；设防烈度为8度时高宽比限值为3；设防烈度为9度时高宽比限值为2。

同时在抗震设计中，A级高度钢筋混凝土高层建筑平面长度也不宜过长，突出部分长度不宜过大，如图3.17所示。L、l的限值见表3.15。

图3.17　建筑平面尺寸限值

结构的竖向布置：同时，高层建筑的竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。结构顶层取消部分墙、柱形成空旷房间时，应进行弹性动力时程分析计算并采取有效构造措施。高层建筑宜设地下室。

图3.18　高层建筑竖向收进与外挑示意

历次地震震害表明：结构刚度沿竖向突变、外挑、内收等都会在某些楼层产生大的变形和应力集中，出现严重的震害和破坏，因此结构要避免竖向刚度突变。多高层建筑当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1，不宜小于0.75B，如图3.18（a）和图3.18（b）所示；当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，B≥0.9B1，且a≤4m，如图3.18（c）和图3.18（d）所示。

（2）合理的建筑结构体系的选择。框架结构的特点是柱网布置灵活，便于获得较大的使用空间。延性较好，但横向侧移刚度小，水平位移大，比较适用于大空间的多层建筑及层数较少的高层建筑。框架结构的变形特征为剪切型，如图3.11（b）所示。

选择合理的结构体系。合理的结构体系的选择与建筑的使用功能有密切关系，如商场办公楼、宾馆等需要大空间，常采用框架或框架－剪力墙结构，而住宅常采用剪力墙结构等。建筑高度也是选择合理结构体系的主要因素之一，如10层以下的建筑通常采用框架结构，10层以上的建筑常选择框架—剪力墙结构形式，而30层以上的建筑宜选择框筒结构体系等。

另外结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，同时具备多道抗震防线。对于静定结构体系，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。因此抗震结构必须做成超静定结构，将这个概念引申即应设置多道防线，要注意分析并控制结构的屈服或破坏部位，控制出铰次序及破坏过程。同时结构倒塌往往是由竖向构件破坏造成的，既抵抗竖向荷载又抵抗水平力的竖向构件属于重要构件，竖向构件的设计要考虑在水平作用下出现裂缝或塑性铰以后，它是否仍能安全承受竖向荷载。

（3）合理设计结构破坏机制（强柱弱梁的破坏机制、消除或强化薄弱层、强剪弱弯的破坏机制）。抗震框架的屈服机制：钢筋混凝土构件可以由配置钢筋的多少控制它的屈服承载力和极限承载力，由于这一性能，在结构中可以按照需要调整钢筋数量，调整结构中各个构件屈服的先后次序，实现最优状态的屈服机制。钢筋混凝土梁支座截面弯矩的调幅就是这种原理的具体应用，对于框架，可能的屈服机制有梁机制、柱机制和混合机制。由地震震害、实验研究和理论分析可以得到梁铰机制（整体机制）优于柱铰机制（局部机制）的结论。

梁铰机制是指塑性铰出现在梁端，除了柱脚可能在最后形成铰以外，其他柱端无塑性铰；柱铰机制是指在同一层所有柱的上下端形成塑性铰。梁铰机制之所以优于柱铰机制，是因为梁铰分散在各层，不至于形成结构倒塌；而柱铰集中在某一层，成为软弱层或薄弱层，易形成倒塌结构。梁铰机制中铰的数量远多于柱铰机制中的铰的数量，因此梁铰机制耗散的能量更多，在同样大小的塑性变形和耗能要求下，对梁铰机制中铰的塑性转动能力要求可低一些，容易实现；梁是受弯构件，容易实现大的延性和耗能能力。柱是压弯构件，尤其是轴压比大的柱，要求大的延性和耗能能力比较困难。但实际工程中很难实现完全的梁铰机制，往往是既有梁铰又有柱铰的混合机制。

（4）结构及构件截面的延性设计（详见3.5.2）。