摘要:工程结构的抗震能力是社会抗震防灾系统的第一道防线。建筑物的倒塌是造成地震灾害的主要原因。建筑物在地震中的破坏程度，大体决定了震害的严重程度。因此，建筑结构的抗震能力，特别是抗地震倒塌能力，是地震区抗震防灾能力的最重要组成部分。文中运用系统科学的思想，介绍了提高建筑结构整体抗震能力的设计思想，结合汶川地震中建筑震害的教训，重点针对建筑结构抗地震倒塌能力，讨论了建筑结构抗震设计中应注意的问题和改进建议。研究结果表明:建筑结构系统的安全储备分为基本安全储备、整体安全储备与意外安全储备三个层次。结构的整体抗震能力和抗地震倒塌能力取决于整体安全储备和意外安全储备，意外安全储备不足是汶川地震建筑结构震害严重的主要原因。结构系统的意外安全储备主要来自其鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性。目前对于结构系统的整体安全储备和意外安全储备的研究很不够，结构设计规范的相关规定和要求也有待进一步完善。
在区域抗震防灾系统的等级序列中，建筑物和基础的倒塌与破坏是造成地震灾害的最主要根源，正如美国设施的抗震能力是抗震防灾的第一道防线。房屋建筑科罗拉多大学的一位专家曾经说过，/造成伤亡的是建筑物，而不是地震0。因此，提高建筑物的抗震能力，特别是提高建筑物抗地震倒塌能力，是增强地震区抗震防灾能力的最重要组成部分。
2008年5月12日我国四川发生的汶川地震属于特大罕遇地震，高烈度区保证房屋建筑做到/大震不倒0，减少人员伤亡是抗震防灾的最基本要求。尽管我国抗震规范[1]的第三阶段设防要求/大震不倒0，但抗地震倒塌计算一般仅针对少数重要建筑结构进行，而对大量一般房屋建筑，则主要依赖整体结构的抗震概念设计和抗震构造措施。然而，这次汶川地震中倒塌的大多数是一般房屋建筑。因此，如何实现一般房屋建筑/大震不倒0的目标，有必要进一步深入研究。
建筑结构是由很多基本构件组成的一个系统。我国2006年通过的国家标准5工程结构可靠性设计统一标准6(GB50153)2006)[2]将结构定义为:能承受作用并具有适当刚度的由各连接部件有机组合而成的系统。这是首次以国家标准条文的方式指明了工程结构的系统属性。本文基于系统科学方法，介绍了提高建筑结构整体抗震能力的设计思想，并结合汶川地震中的典型建筑震害，重点针对建筑结构抗地震倒塌能力，提出了建筑结构抗震设计中应注意的问题和改进建议。
1提高建筑物抗地震倒塌能力的系统科学思想
根据系统科学的基本概念，一个复杂系统的功能主要取决于该系统的整体性。系统的整体性是系统方法的核心和目标，整体性可以简单的表述为/整体不等于部分之和0。对于建筑结构系统来说，一方面，构件的功能依赖于整体结构系统功能，任何构件一旦离开整体结构，就不再具有它在结构系统中所能发挥的功能；另一方面，构件又影响整体结构系统的功能，任何构件一旦离开整体结构，整体结构丧失的功能不等于该构件在结构系统中所发挥的功能，可能更大，也可能更小。
由于系统组成的复杂性，结构系统的整体功能取决于构件的组成方式和构件之间的相互作用。采用同样结构构件、但按不同方式组成的结构系统，其整体性可能表现为截然不同的结果。如果因为结构构件之间的互相依赖而加剧了结构系统整体功能的损失，即局部构件的破坏与所导致的整体结构破坏程度很不相称，则结构系统的整体抗震能力弱，这样的整体性属于不利的整体性，也即所谓结构系统的易损性。
对于结构抗震来说，尽管进行了结构抗震设计，但由于地震的复杂性，一方面发生超过设计/大震0的可能依然存在，如汶川地震灾区，设防烈度为6~7度，设计/大震0为8度，而这次地震部分地区达到9~11度。我国以前几次大地震也是这类情况，如1966年邢台地震，设防7度，实际10度；1975年海城地震，设防6度，实际9~11度；1976年唐山地震，设防6度，实际11度[3]；另一方面，实际地震作用(分布模式和频谱成分)也不可能与设计计算地震作用完全相同。当遭遇这类破坏性地震时，势必会引起结构系统中的一些构件超过其承载力而产生破坏，但如果局部构件的破坏持续引发其他构件连续破坏，甚至倒塌，则称该结构系统的易损性大。
与不利的整体性之相对的是有利的整体性，经过合理设计和组织的结构系统，能够利用结构构件之间的相互依赖与影响，最大限度地减少结构系统整体功能的损失，局部构件的破坏不会导致整个结构系统产生严重破坏，即局部构件的破坏不会持续引发其他构件连续破坏，这种特性在系统理论中称为系统的鲁棒性。这可以直观的表述为一种/减法整体性0，即3-1>2。文献[4]详细讨论了抗震结构的鲁棒性对于罕遇地震中结构抗地震倒塌能力的重要意义，并提出了增强结构系统抗震鲁棒性的方法，如增加结构的冗余度、明确不同构件的功能类型、采用多重抗震防线结构体系等。
汶川地震中，许多学校教学楼建筑在很短时间内坍塌，表明这些建筑的抗震鲁棒性很低。图1是都江堰聚源中学教学楼的倒塌情况。该教学楼的结构形式在地震灾区具有代表性，如图2a所示。图2b为灾区另一未倒塌但严重破坏教学楼的情况，从中可以看出这类教学楼的外观和状况。这类教学楼大多为砖混结构，纵墙承重、预制空心楼板，建筑上采用大开间、大开窗、外挑走廊，抗震构造措施严重不足，如预制空心楼板无拉结、无后浇叠合层，特别是进深梁处未设置构造柱。这次地震中，具有这两个特点的教学楼，大多发生整体性倒塌，甚至是突然的粉碎性倒塌。造成这种后果的原因在于，这种结构形式的组成简单，结构体系单薄，各构件之间仅仅是简单传力作用，无任何有利于增强结构系统整体性的相互作用，一旦某一构件破坏，特别是承重墙破坏，极易导致其他构件(楼面梁和预制空心板)也随之失去支撑而发生连续破坏，因此这种结构形式的抗震鲁棒性很差。图2b的教学楼之所以未倒塌，是因为纵墙开窗少且小，纵墙的抗震承载能力得到增强，但从照片可以看出，纵墙也已严重开裂破坏。
为本次地震高烈度区未倒塌的砖混结构教学楼，图3b为该学校另一个与图2结构形式类似的教学楼则发生了彻底坍塌。图3a的教学楼采用有混凝土柱支撑的外走廊，特别是纵墙中设置了构造柱(也有圈梁)。砖混结构中的现浇钢筋混凝土圈梁和构造柱对于维持结构的整体性，提高结构的抗倒塌能力具有非常重要的作用。因为圈梁和构造柱不仅仅能简单的增强墙体的承载能力，更重要的是维持了墙体的整体性，减小砌体墙发生粉碎性破坏的可能性，从而显著增加了墙体的变形能力。因此，圈梁和构造柱与墙体相互作用有利于增强结构的整体性。
鲁棒性是反映复杂系统整体性的一个重要特性。在讨论建筑结构时，结构专家也常用结构的整体稳定性和结构的整体牢固性来表述。事实上，鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性是从不同角度对结构系统整体性的描述。在系统方法中，稳定性有其特定的定义，而整体牢固性则是更接近工程的技术术语。为此，以下从系统科学角度对结构系统的鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性的概念给予明确。
鲁棒性注重对结构系统在遭受偶然意外事件下结构若产生局部破坏后可能导致整个结构系统损伤程度的描述。而整体稳定性则注重对结构系统损伤过程的描述。这里所说的稳定性，是从结构状态突变角度定义的广义稳定性，而一般经常讨论的压杆分叉失稳问题只是各种状态突变中的一种。在灾害作用下，结构系统从完好状态，由局部破坏开始，破损程度逐渐加重，直至倒塌的变化过程，存在稳定的和不稳定的两种变化过程。如果从局部破坏开始到整个结构倒塌(结构系统崩溃)是一种突变过程，则结构系统的倒塌过程将难以预测和控制。因此，希望结构系统的损伤破坏过程能够表现为稳定有序的渐进式破坏过程，且破坏过程可分解为多个稳定的工作阶段，每个阶段都有相应的损伤机制，并能充分发挥结构系统所有结构构件层次的承载能力和变形能力，使其受力性能和状态可以预测。这种稳定有序的渐进式破坏过程，可以使得结构系统从开始破坏到最终倒塌有相当长的时间，并且在这一过程中如果地震作用停止，则整体结构系统破坏过程也停止，不会在短时间内持续发展，因而能够保证建筑内的人员逃离。框架结构抗震设计所希望的/强柱弱梁0破坏机制就是属于一种稳定有序的渐进式破坏模式。尽管当框架结构最终形成/强柱弱梁0破坏机制后，也必然会倒塌，但从形成第一个梁铰，到所有梁端出现塑性铰，再到最后形成屈服破坏机构，其间需经历较长的时间过程，因而相对于层屈服机制就具有更好的抗倒塌能力。然而，遗憾的是这次汶川地震中几乎没有看到框架结构出现/强柱弱梁0机制，相反基本都是出现柱铰机制，见图4。造成这种不利破坏模式的原因是多方面的，其中属于结构系统方面考虑不周的原因有两点，一是没有将填充墙纳入整个结构系统一并考虑，因为填充墙可增加结构的层刚度，也会增加框架梁的抗弯刚度和受弯承载力；二是楼板对框架梁的刚度和承载力贡献没有充分考虑。一般在设计中只针对裸框架结构进行分析计算，缺乏对整个结构系统抗震性能的判断。
将结构系统在地震作用下的破坏模式分为整体型与局部型两种，其中整体型破坏模式具有稳定有序的破坏过程，有利于充分发挥结构系统中各层次结构构件的抗震能力，是比较理想的破坏模式。在实现整体型破坏模式方面，框架-剪力墙或剪力墙结构比框架结构更有优势，因为结构系统中的剪力墙通常是贯通整个结构高度的整体型构件，必然对整个结构系统的抗震行为起到控制作用。这次汶川地震中，框架-剪力墙大多震害较轻，通常仅剪力墙有轻微的裂缝，或剪力墙的连梁发生破坏。
除此之外，建筑结构系统成立的前提条件是构件之间的相互作用。如果在地震作用下，建筑结构系统可轻易地解体为单个构件，则上述结构系统的整体性也无从谈起。因此，结构系统的整体牢固性是实现上述鲁棒性和整体稳定性的前提，即建筑结构系统应注重构件之间的可靠连接构造，保证结构构件之间有利的相互作用能够得到充分的发挥，最大程度地实现结构系统的整体抗震能力目标。
尽管结构系统的整体牢固性是实现结构系统的鲁棒性和整体稳定性的前提，但鲁棒性和整体稳定性属于整体结构系统层面的性能，与整体牢固性仍然具有不同的意义。比如，前述由于各种原因形成层屈服机制的框架结构，即使框架柱与框架梁的连接构造措施很牢固，但由于结构系统在地震作用下属于局部型破坏机制，其整体抗震能力仍然不好。因此，结构系统的鲁棒性、整体稳定性和整体牢固性是保证结构系统整体抗地震倒塌能力不可或缺的三个方面。