《抗倒塌规范》修编思考（二） | 抗地震倒塌的工程对策
上一篇讨论了“大震不倒”的定义和评价方法（参阅《《抗倒塌规范》修编思考（一）|“大震不倒”的定义、要求及验算方法》），当然对于工程师来说，知道了抗地震倒塌能力后，最终目标是提出合适的抗地震倒塌工程对策，今天就谈谈我们对这个问题的思考。
1. “小震、中震、大震”目标孰先孰后？
大家都很熟悉，我们抗规的规定的抗震目标是“小震不坏、中震可修、大震不倒”，而在实际执行时，“小震不坏”的计算和规定是很严格的。而“大震不倒”的规定实际上是很概念化且不定量的。工程师在实际执行过程中，也是对“小震不坏”非常重视（否则计算书就“出红”，设计没法通过），而对“大震不倒”的设计实际上重视不足。但是，“大震不倒”是抗震设计的第一要求。从抗震目标的重要性来说，“大震不倒”应该是最重要的，现在反而却执行得比较模糊。况且，“小震不坏”更多的是对结构刚度和承载力的要求，而“大震不倒”，则更多的是对变形能力和结构整体牢固性的要求。所以“小震不坏”并不能代替“大震不倒”的研究。美国FEMA P695以及随后的诸如ATC-72等研究计划，就是以“大震不倒”（实际上是控制结构全寿命期的倒塌率）来反过来检验和改进现有的抗震设计方法是否符合要求。而我们缺少从抗倒塌的角度来全面检验我们现行抗震设计方法的合理性。
例如，我们规定了高层建筑最小剪力系数的要求，但是这个要求到底是否合理？从执行上具体该如何落实（是调整刚度？还是调整承载力？）对高层建筑的抗地震倒塌安全最为有利？这个问题前些年引起广泛的关注。类似的，比如框架最小剪力分担系数等等现行设计方法的规定，到底对结构抗倒塌有什么样的效果，这些都是工程界非常关心的，而也是缺少清晰答案的问题。
所以，从抗倒塌的工程措施而言，首先应该从倒塌的角度，系统的分析考察一下现行抗震设计方法中各项规定措施对抗倒塌能力的影响。有利的要强调，不利的要修改。当然，这是一个长期而重要的工作，不是我们这一本《抗倒塌规范》能承担的。但是，我们希望可以这个事业做出我们一点小小的贡献。
2 抗倒塌是否一定会很贵？
大家一说到提升建筑的抗震性能，包括抗倒塌性能，第一个反应就是可能要多花钱。如果要做到“特大地震”下的抗倒塌，要花很多钱。但是实际上并非如此。一方面，从历次地震的经验，特别是汶川地震的经验来看，做到特大地震不倒塌，其实有很多花钱少效果好的办法。比如设计了“汶川地震最牛教学楼”的中国建筑西南设计院，其设计的校舍有65所位于汶川地震的极重灾区，但是无一例倒塌！
中国建筑西南设计院设计的校舍有65所位于汶川地震的极重灾区，但是无一倒塌！（详见：104 所农村中小学砌体结构校舍抗震设计思路及震害分析, 《建筑结构》, 2010(9) ）
地震中被抬起2米多而没有倒塌的汶川地震最牛教学楼
后来分析成功经验，其实很重要的原因就是在校舍设计时，在独立窗间墙中部大梁下设置钢筋混凝土扶壁柱，从而有效避免了结构的地震倒塌，花钱极少，效果非常好！
最牛教学楼的内部震害，花钱极少而效果极好的典型例子（详见：104 所农村中小学砌体结构校舍抗震设计思路及震害分析, 《建筑结构》, 2010(9) ）
再比如，以框架结构为例，框架柱子对抗地震倒塌是最关键的，但是我们做过设计的都知道，一个框架结构，柱子的混凝土用量一般只占五分之一，钢筋用量一般在八分之一。所以，把柱子做大一点，做强一点，其实花不了多少钱。
但是，是否把钱花在了该花的地方，把好钢用在了刀刃上，这个倒是非常值得思考的问题。去年有一段时间，很多专家们对提高规范分项系数进行了热烈的讨论。我们课题组也做了一些定量的分析，发现如果没有科学的设计方法作为指导，调整系数后材料用量增加了，但是效果却未必像我们想得那么好（参见《提高地震荷载分项系数，抗震安全性提高了多少？》）。
我们课题组林旭川同学（现在是林旭川教授了 ^_^）之前做过一个很有意思的研究，我们提出了一个基于广义刚度原理的构件重要性评价方法，利用这个方法，可以定量的对结构中不同构件的重要性给出一个数值。然后对于比较重要的构件，适当提高其安全储备，同时降低不重要构件的安全储备。例如图所示的框架结构，在地震和重力荷载下，底层的柱子是最重要的，而梁的重要性显然要低一些。
构件重要性指标，数字越大表明这个构件越重要，我们现在设计做到把好钢都用到刀刃上了么？
我们进一步按照构件的重要性系数进行配筋设计，按照重要性等级，减小梁的配筋，增加柱子，特别是底层柱的配筋，修改后的方案总用钢量和按照现行规范设计的结构一样，但是承载力储备提高了15.5%，变形储备提高了44.8%，抗地震倒塌安全系数（CMR）提高了50%。因此，抗倒塌设计不是要增加造价，而是要把钱用在真正提高结构安全性的地方。而如何把好钢用在刀刃上，这个是一个非常有价值的话题。 当然，这也是一个长期而重要的工作，不是我们这一本《抗倒塌规范》能承担的。但是，我们希望可以这个事业做出我们一点小小的贡献。
倒塌易损性对比，蓝线为规范结构，褐色线为优化后结构，相同的用钢量，安全储备提高50%。
3 抗地震倒塌的加固措施
我国已建成和待建成的建筑面积已经达到700亿平方米的数量级，这些建筑未来基本上不可能完全拆除重建，只能通过加固改造措施让其逐步满足规范标准的要求。现在抗震加固，很多时候还是基于满足小震承载力的逻辑，而事实上既有结构各式各样，加固应该有不同的途径。宜提高承载力的就提高承载力（比如增加钢支撑等等），宜提高延性的就提高延性（比如约束混凝土柱等等）。《建筑结构抗倒塌设计规范》肯定不能把所有的加固措施都包括进去，但是我们是否可以考虑建议一些抗地震倒塌加固的验算方法？并再建议几个有代表性的，有实际操作价值的技术措施？
4 小结
(1) 我们抗震规范有很多规定，这些规定对结构抗地震倒塌的影响理应做一次系统的梳理。
(2) 抗地震倒塌未必会增加成本，但是需要研究如何把好钢用到刀刃上。
(3) 既有建筑的加固必须重视，将来地震中倒塌的建筑，老旧建筑一定是关键问题。
上一期文章
《抗倒塌规范》修编思考（一）|“大震不倒”的定义、要求及验算方法
《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392》修订批文及修订意见征集
相关资料
相关文章，在仿真秀官网搜索：
场地-城市耦合弹塑性分析+神威太湖之光+无人机 | 三项黑科技助力新北川县城震害预测
美国NSF SimCenter+清华城市弹塑性分析=旧金山184万建筑地震模拟
《建筑结构抗倒塌设计规范CECS392》修订批文及修订意见征集
新综述论文：21世纪建筑结构连续倒塌和鲁棒性的研究和实践
新论文：中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究
新论文：一根钢筋混凝土梁，承载力你能算对么？| 梁的压拱效应计算方法
新论文：无人机+机器学习+城市弹塑性分析=震后近实时损失预测
新论文：这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？
视频分享|地震破坏力速报软件演示|从216墨西哥地震再谈城市抗震弹塑性分析
20180528吉林松原5.7级地震破坏力分析
新论文：BIM+新一代性能化设计=喷淋系统破坏后的地震次生火灾模拟
为什么需要发展城市抗震弹塑性分析 | 从8.8九寨沟地震和8.21意大利地震谈起
美国新一代抗震性能化评价方法FEMA-P58报告翻译
