淺析結(jié)構(gòu)抗震重要因素“延性”

邊大可　瞿　云

摘要：我國(guó)屬地震多發(fā)國(guó)家，需要考慮抗震設(shè)防的地域遼闊，因此研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國(guó)具有充分的必要性。我國(guó)的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論是從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，在國(guó)際抗震理論的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的，并逐漸形成了自己的特色。其中大部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要進(jìn)一步加以完善。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)抗震；抗震設(shè)計(jì)；新型建筑材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TU201文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）07-0158-02

在地震作用下，一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不可取，結(jié)構(gòu)的延性是非常重要的。最值得我們注意的是，與國(guó)外規(guī)范相比，歐洲和新西蘭規(guī)范按地震作用降低系數(shù)（“中震”的地面運(yùn)動(dòng)加速度與“小震”的地面運(yùn)動(dòng)加速度之比）來(lái)劃分延性等級(jí)，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美國(guó)UBC規(guī)范按同樣原則來(lái)劃分延性等級(jí)，但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級(jí)，在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級(jí)。而目前我國(guó)把用于結(jié)構(gòu)截面承載能力設(shè)計(jì)和變形驗(yàn)算的小震賦予一個(gè)固定的統(tǒng)計(jì)意義。對(duì)延性要求則按抗震等級(jí)來(lái)劃分，抗震等級(jí)實(shí)質(zhì)又主要是由烈度分區(qū)來(lái)決定的，從而制定了不同的抗震措施。這種思路造成低烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)延性要求可能偏低的結(jié)果。

地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震，50年出現(xiàn)的概率大約為63%，重現(xiàn)期為50年。中震是指50年出現(xiàn)的概率約為10%，重現(xiàn)期為475年。而大震指的是罕遇地震，50年出現(xiàn)的概率為2%～3%，重現(xiàn)期為1641～2475年。對(duì)于偶然性和隨機(jī)性很大的地震荷載，要想使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一定大于結(jié)構(gòu)反應(yīng)，幾乎是不可能的，而且是十分不經(jīng)濟(jì)的。

受社會(huì)承受犧牲的能力和經(jīng)濟(jì)制約的因素，我們只能從概率的角度出發(fā)，使結(jié)構(gòu)在一定的概率保證下能安全正常地發(fā)揮作用。這就決定了抗震設(shè)計(jì)的基本原則，在我國(guó)即通常所說(shuō)的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。在“小震”作用下，要求結(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來(lái)說(shuō)，就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準(zhǔn)彈性反應(yīng)狀態(tài)，而不進(jìn)入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài);同時(shí)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)控制在合理的限制范圍以?xún)?nèi)，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。中震大概相當(dāng)于我們的設(shè)防烈度地震，當(dāng)遭遇到中震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞，經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，維修費(fèi)用不能太高。對(duì)發(fā)生概率極小的罕遇大震（“大震”的烈度比設(shè)防烈度約高一度左右）。要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”作用時(shí)，不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這樣一個(gè)抗震設(shè)防目標(biāo)是非常經(jīng)濟(jì)合理的。因?yàn)榈卣鸬陌l(fā)生太偶然，倘使我們一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)不壞，這將會(huì)使極大量的材料在絕大部分時(shí)間里，甚至在整個(gè)壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做是不明智的。在上述設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下，就要求結(jié)構(gòu)處于這樣一種狀況：當(dāng)小震來(lái)臨，應(yīng)確保所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抵抗地震作用力時(shí)，具有足夠的強(qiáng)度，使其基本上處于彈性狀態(tài)。并通過(guò)驗(yàn)算小震作用下的彈性位移來(lái)共同保證結(jié)構(gòu)不壞。處于這個(gè)階段的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生明顯的非線(xiàn)性變形，也不必需要采取特殊的構(gòu)造措施。在中震作用下，結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位超過(guò)彈性強(qiáng)度，進(jìn)入屈服，發(fā)生較大變形，達(dá)到非線(xiàn)形階段，這時(shí)，我們就特別提出延性要求（延性指當(dāng)?shù)卣鹌仁菇Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大的非線(xiàn)性變形時(shí)，結(jié)構(gòu)仍能維持其初始強(qiáng)度的能力，是結(jié)構(gòu)超過(guò)彈性階段的變形能力，它是結(jié)構(gòu)抗震能力強(qiáng)弱的標(biāo)志。它包括承受極大變形的能力和靠滯回特性吸收能量的能力，它是抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中一個(gè)非常重要的特性）。當(dāng)中震來(lái)臨的時(shí)候，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)具有非彈性特征，某些關(guān)鍵部位超過(guò)其彈性強(qiáng)度，進(jìn)入塑性狀態(tài)。由于它有一定的延性，它的非線(xiàn)性能夠承擔(dān)塑性變形，使它在變形中能夠耗費(fèi)和吸收地震能量。代價(jià)是可能導(dǎo)致較寬的裂縫，混凝土表皮起殼、脫落，可能有一定的殘余變形，但不至于導(dǎo)致安全失效，以達(dá)到中震可修的設(shè)防目標(biāo)。處于這個(gè)階段的結(jié)構(gòu)，對(duì)延性就會(huì)提出相應(yīng)的要求，而延性就要靠精心設(shè)計(jì)的細(xì)部構(gòu)造措施來(lái)保證。當(dāng)大震來(lái)臨的時(shí)候，結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性變形非常大，也可能發(fā)生不可修復(fù)的破壞。處于這個(gè)階段的結(jié)構(gòu)就需通過(guò)計(jì)算它的彈塑性變形來(lái)保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。所以，通常我們只需要按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，驗(yàn)算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形。而中震作用效應(yīng)則需要結(jié)構(gòu)靠一定的塑性變形能力（即延性）來(lái)抵抗。所以結(jié)構(gòu)延性對(duì)建筑抗震是極其重要的。

合理選擇了結(jié)構(gòu)延性要求后，就需要通過(guò)抗震措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)確實(shí)具有所需的延性能力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個(gè)方面：

1．“強(qiáng)柱弱梁”：人為增大柱相對(duì)于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線(xiàn)性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線(xiàn)性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個(gè)較為穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)和較大的塑性耗能能力。

2．“強(qiáng)剪弱彎”：剪切破壞基本上沒(méi)有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對(duì)于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，使結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中其任何構(gòu)件都不會(huì)先發(fā)生剪切破壞。

3．抗震構(gòu)造措施：通過(guò)抗震構(gòu)造措施來(lái)保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性。

這一系統(tǒng)的抗震措施理念已被世界各國(guó)所接受，但是對(duì)于耗能機(jī)構(gòu)卻出現(xiàn)了以新西蘭和美國(guó)為代表的兩種不完全相同的思路。首先，這兩種思路都是以?xún)?yōu)先引導(dǎo)梁端出塑性鉸為前提。新西蘭的抗震研究者認(rèn)為耗能機(jī)構(gòu)宜采用符合塑性力學(xué)中的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”，即梁端全部形成塑性鉸，同時(shí)底層柱底也都形成塑性鉸的“全結(jié)構(gòu)塑性機(jī)構(gòu)”。其具體做法是通過(guò)結(jié)構(gòu)分析得到各構(gòu)件組合內(nèi)力值后，對(duì)梁端截面就按組合彎矩進(jìn)行截面設(shè)計(jì)；而對(duì)除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。通過(guò)這一做法實(shí)現(xiàn)在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層柱底塑性鉸出現(xiàn)遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現(xiàn)塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強(qiáng)系數(shù)。美國(guó)抗震界則認(rèn)為新西蘭取的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)過(guò)大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取了較小的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)，這一做法使結(jié)構(gòu)在大震引起的非彈性變形過(guò)程中，梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對(duì)較遲，梁端塑性鉸形成的較普遍，柱端塑性鉸形成的相對(duì)少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”。

新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時(shí)因?yàn)槌讓又淄獾钠渌瞬怀霈F(xiàn)塑性鉸，也就不必再對(duì)這些柱端加更多的箍筋，但是這種思路過(guò)于受塑性力學(xué)形成理想機(jī)構(gòu)概念的制約，總認(rèn)為底層柱底應(yīng)該形成塑性鉸，這樣就對(duì)底層柱底提出了較嚴(yán)格的軸壓比要求，同時(shí)還要用足夠多的箍筋來(lái)使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發(fā)生破壞很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢(shì)。所以結(jié)構(gòu)主要靠延性來(lái)抵抗較大地震作用下的非彈性變形，

綜上所述，地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有同等重要的意義。我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)思路也應(yīng)該在完善自身不足的同時(shí)，不斷向前發(fā)展。

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