我國建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)思路

趙繼東　師　穎

摘要：本文綜述了我國建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法的發(fā)展過程，通過與國外規(guī)范的比較指出我國規(guī)范對抗震設(shè)計(jì)存在的問題。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 抗震

0 引言

隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路也經(jīng)歷了一系列的變化。最初，在未考慮結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力特征，也無詳細(xì)的地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下，經(jīng)驗(yàn)性的取一個(gè)地震水平作用（0.1倍自重）用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗(yàn)到基于非線性理論，從單純保證結(jié)構(gòu)承載能力的“抗”到允許結(jié)構(gòu)屈服，并賦予結(jié)構(gòu)一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉(zhuǎn)變。

1 現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路及關(guān)系

在當(dāng)前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路，其主要內(nèi)容是：

1.1 合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)的地震作用。一般先以一具有統(tǒng)計(jì)意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強(qiáng)弱標(biāo)志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數(shù)）得到不同的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度（即小震的）來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而確定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)。

1.2 制定有效的抗震措施使結(jié)構(gòu)確實(shí)具備設(shè)計(jì)時(shí)采用的R所對應(yīng)的延性能力。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施（強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎）和抗震構(gòu)造措施。

現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念是基于對結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是 關(guān)系，主要指在不同滯回規(guī)律和地面運(yùn)動(dòng)特征下，結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)與自振周期以及最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)間的關(guān)系。其中R為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡稱地震力降低系數(shù)；而μ為最大非彈性反應(yīng)位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數(shù)。

隨著對地震作用規(guī)律認(rèn)識(shí)的深入，這一規(guī)律已被各國規(guī)范所接受。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對在同一烈度區(qū)的同一類結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)情況取用不同的R，也就是不同的用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地震作用。當(dāng)R取值較大，即用于設(shè)計(jì)的地震作用較小時(shí)，對結(jié)構(gòu)的延性要求就越嚴(yán)；反之，當(dāng)R取值較小，即用于設(shè)計(jì)的地震作用較大時(shí)，對結(jié)構(gòu)的延性要求就可放松。

2 保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震措施

合理選擇了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結(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)方面內(nèi)容：

2.1 “強(qiáng)柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，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。

2.2 “強(qiáng)剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，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。

2.3 抗震構(gòu)造措施：通過抗震構(gòu)造措施來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所接受，但是對于耗能機(jī)構(gòu)卻出現(xiàn)了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。首先，這兩種思路都是以優(yōu)先引導(dǎo)梁端出塑性鉸為前提。

不需要被塑性力學(xué)的機(jī)構(gòu)概念所限制，只要能在大震下實(shí)現(xiàn)以下的塑性耗能機(jī)構(gòu)，就能保證抗震設(shè)計(jì)的基本要求：①以梁端塑性鉸耗能為主；②不限制柱端塑性鉸出現(xiàn)（包括底層柱底），但是通過適當(dāng)增強(qiáng)柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)離其塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力有足夠裕量；③同層各柱上下端不同時(shí)處于塑性變形狀態(tài)。

我國的抗震措施中對耗能機(jī)構(gòu)的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學(xué)的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”模式。

抗震設(shè)計(jì)中我們?yōu)榱吮苊鉀]有延性的剪切破壞的發(fā)生，采取了“強(qiáng)剪弱彎”的措施來處理構(gòu)件受彎能力與受剪能力的關(guān)系問題。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。

延性對抗震來說是極其重要的一個(gè)性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對于梁柱等構(gòu)件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點(diǎn)：混凝土極限壓應(yīng)變，破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實(shí)質(zhì)都是這兩個(gè)根本因素的延伸。在抗震設(shè)計(jì)中為保證結(jié)構(gòu)的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對柱子限制軸壓比等。

3 我國抗震設(shè)計(jì)思路中的部分不足

我國在學(xué)習(xí)借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎(chǔ)上，逐漸形成了自己的一套較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)思路。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，需要我們今后加以完善。

最值得我們注意的是，與國外規(guī)范相比，我國抗震規(guī)范在對關(guān)系的認(rèn)識(shí)上還存在一定的差距。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）來劃分延性等級，“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UBC規(guī)范按同樣原則來劃分延性等級，但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級，在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級。這幾種抗震思路都是符合規(guī)律的。而目前我國將地震作用降低系數(shù)統(tǒng)一取為2.81，而且還把用于結(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。對延性要求則并未按R-μ關(guān)系來取對應(yīng)的，而是按抗震等級來劃分，抗震等級實(shí)質(zhì)又主要是由烈度分區(qū)來決定的。這就導(dǎo)致同一個(gè)R對應(yīng)了不同的μ，從而制定了不同的抗震措施，這與R-μ關(guān)系是不一致的。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。

4 常用抗震分析方法

伴隨著抗震理論的發(fā)展，各種抗震分析方法也不斷出現(xiàn)在研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們需要確定用來進(jìn)行內(nèi)力組合及截面設(shè)計(jì)的地震作用值。對結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析是抗震研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，非線性時(shí)程分析，非線性靜力分析是目前常用的幾種抗震分析方法。它們的基本原理和步驟是先以某種方法得到結(jié)構(gòu)在可能遭遇地震作用下所對應(yīng)的目標(biāo)位移，然后對結(jié)構(gòu)施加豎向荷載的同時(shí)，將表征地震作用的一組水平靜力荷載以單調(diào)遞增的形式作用到結(jié)構(gòu)上，在達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)停止荷載遞增，最后在荷載中止?fàn)顟B(tài)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估，判斷是否可以保證結(jié)構(gòu)在該水平地震作用下滿足功能需求。

從現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路提出至今，世界各國的抗震學(xué)術(shù)界和工程界又取得了許多新的成果，比如進(jìn)行了大量鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn)；通過迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)編制了準(zhǔn)確性更好的非線性動(dòng)力反應(yīng)程序；在設(shè)計(jì)方法上也不再拘泥于以前單一的基于力的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法，開始嘗試基于性能和位移的新的抗震設(shè)計(jì)理念。在這樣的環(huán)境中，我國的抗震設(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。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡聿賢.地震工程學(xué).地震出版社.1988.

[2]龔思禮等.建筑抗震設(shè)計(jì).中國建筑工業(yè)出版社.1994.

[3]龔思禮.建筑抗震設(shè)計(jì)手冊（第二版）.中國建筑工業(yè)出版社.2002.

[4]范立礎(chǔ),卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì).人民交通出版社.2001.