影響框架結(jié)構(gòu)抗震性能的因素淺析

摘要：建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地位日益重要，文章對(duì)影響工業(yè)與民用框架結(jié)構(gòu)抗震性能的因素進(jìn)行了簡要的總結(jié)，為了減輕地震對(duì)建筑物頂部突出部分的破壞作用及影響，文章通過簡要闡釋，得出地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)的“鞭梢效應(yīng)”產(chǎn)生的原因和條件，并為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提出建議。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；剛度；延性；主振型；鞭梢效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TU375.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—8937（2012）23—0150—02

建筑結(jié)構(gòu)具有很多形式，包括砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、索膜結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等，不同的結(jié)構(gòu)形式，其抗震性能有明顯的不同。

建筑的抗震等級(jí)一般是由多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算和確定并最終構(gòu)造措施的標(biāo)準(zhǔn)。為了抗震設(shè)計(jì)的安全可靠與經(jīng)濟(jì)合理，應(yīng)充分考慮多方面因素及各種不同情況，并且針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的抗震要求，在計(jì)算和構(gòu)造上應(yīng)區(qū)別對(duì)待。因此，地震作用越大（或房屋高度越大），抗震要求亦越高；對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)有不同的抗震要求。此外，同一結(jié)構(gòu)中的不同部位以及同一種結(jié)構(gòu)形式在不同結(jié)構(gòu)體系中所起的作用不同，其抗震要求也應(yīng)有所區(qū)別。例如，在框架結(jié)構(gòu)中，框架是主要抗側(cè)力構(gòu)件，而在框架一抗震墻結(jié)構(gòu)中，框架是次要抗側(cè)力構(gòu)件（抗震墻是主要抗側(cè)力構(gòu)件），因此框架結(jié)構(gòu)中的框架應(yīng)比框架一抗震墻結(jié)構(gòu)中的框架抗震要求高。又如，在部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)中，框支層由于剛度和強(qiáng)度的削弱，往往成為塑性變形集中的薄弱樓層，因此其落地抗震墻底部加強(qiáng)部位的抗震要求就應(yīng)高于一般抗震墻的抗震要求。

為此，我國抗震規(guī)范和高層規(guī)程綜合考慮建筑抗震重要性類別、地震作用（包括區(qū)分設(shè)防烈度和場(chǎng)地類別）、結(jié)構(gòu)類型（包括區(qū)分主、次抗側(cè)力構(gòu)件）和房屋高度等因素，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劃分了不同的抗震等級(jí)?？拐鸬燃?jí)的高低，體現(xiàn)了對(duì)抗震性能要求的嚴(yán)格程度。不同的抗震等級(jí)有不同的抗震計(jì)算方法及相應(yīng)的構(gòu)造措施要求，從最高等級(jí)四級(jí)到一級(jí)，抗震要求依次提高；高層規(guī)程中還規(guī)定了抗震等級(jí)更高的特一級(jí)。

對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，由于整體性比較差，抗震性能較差，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的配筋，可有效的提高其抗震性能，但也只限于多層建筑，已經(jīng)逐漸退出建筑市場(chǎng)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)其具有較大的剛度，用自身的剛度進(jìn)行抗震，但是在水平地震作用下框架結(jié)構(gòu)將發(fā)生側(cè)向變形，由于框架結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度對(duì)稱處理不利，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體在地震過程中產(chǎn)生整體的扭轉(zhuǎn)，發(fā)生復(fù)合破壞，因此，框架結(jié)構(gòu)對(duì)抗震來說并不理想。根據(jù)此種問題，產(chǎn)生框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)，在抗震性能上有明顯的提高，成為高層建筑的首選結(jié)構(gòu)形式。

1 問題的提出

隨著高層建筑的建造，高層建筑抗震在建筑設(shè)計(jì)中占有很大的比重，由于地震作用的復(fù)雜性于人類對(duì)地震規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性，目前對(duì)建筑物的抗震設(shè)計(jì)水平還停留在一個(gè)初步的階段，尚無法做出精確的計(jì)算，現(xiàn)有的地震作用力的計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算大都是近似方法。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抗震的設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)包括概念設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)兩方面，本文論述就屬于概念設(shè)計(jì)的理論闡述，建筑物結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到在六度與九度范圍內(nèi)設(shè)防，不同場(chǎng)地根據(jù)不同的烈度進(jìn)行地震作用力計(jì)算與截面抗震驗(yàn)算，同時(shí)應(yīng)符合相應(yīng)的抗震構(gòu)造要求。

2 兩種抗震因素分析

地震作用力實(shí)際上是建筑物對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)，他與許多因素有關(guān)。人們針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不同配以不同的計(jì)算方法，例如，高層建筑物地震作用力的計(jì)算宜采用振型分解反應(yīng)譜法，對(duì)剛度和質(zhì)量不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)采用扭轉(zhuǎn)藕連震動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法，此外還有剪力法計(jì)算，對(duì)于甲類高層建筑，較高的高層建筑。復(fù)雜的高層建筑物，以及剛度和質(zhì)量分布特別不均勻的高層建筑，還要采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇和罕遇水平地震作用下的計(jì)算?？梢姷卣鹩?jì)算相當(dāng)繁瑣，相比之下地震的概念分析顯得生動(dòng)易懂，對(duì)于非專業(yè)學(xué)生了解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有很好的益處。下面介紹概念設(shè)計(jì)中的兩種抗震因素分析。

我國是一個(gè)地震多發(fā)的國家，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮抗震設(shè)防的區(qū)域遼闊，因此，研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國具有充分的必要性。我國的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念是從20世紀(jì)50年代開始，在國際抗震理論的推動(dòng)下發(fā)展起來，并逐漸形成了自己的地域特色，大部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念，下面就結(jié)構(gòu)抗震理論中的影響抗震性能的兩方面因素進(jìn)行簡要的論述。

2.1 延 性

結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的延性是指從屈服開始至達(dá)到最大的承載能力以后而承載力還沒有發(fā)生顯著下降變化的變形能力，它反映了結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的后期變形能力。延性差的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面，其后期變形能力小，所以在達(dá)到最大承載力后，它會(huì)突然發(fā)生脆性破壞，這是必須要避免的。因此，在工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，不僅要滿足承載力要求，還要滿足一定的延性要求。目的是為了有利于吸收和耗散地震能量，從而滿足抗震設(shè)計(jì)方面的要求。對(duì)于有抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)，其抗震性主要取決于結(jié)構(gòu)所能吸收的地震能量，它等于結(jié)構(gòu)承載力和變形能力的乘積，也就是說，結(jié)構(gòu)的耐震能力是由承載力和變形能力共同決定的。因此，在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮和利用結(jié)構(gòu)的變形能力（延性）以及耗散地震能量的能力。大量的研究成果表明，一個(gè)結(jié)構(gòu)具有較大延性或較高耗能能力的話，即使其承載力較低，也能夠吸收較多能量，從而抗御較強(qiáng)地震而不會(huì)倒塌。在地震的作用下，一味的追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不可取，結(jié)構(gòu)的延性也非常的重要，值得我們注意的是，依據(jù)我國的抗震設(shè)計(jì)基本原則，通俗來說即：小震不壞，中震可修，大震不倒，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夠安全的發(fā)揮作用，通常我們只需要按小震的作用效應(yīng)和其他的荷載進(jìn)行組合，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗震承載力和彈性變形能力。中震效應(yīng)用結(jié)構(gòu)本身的延性來抵抗，所以結(jié)構(gòu)的延性對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震具有十分重要的作用。合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的延性之后，再通過結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)，采用結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的一系列措施保證結(jié)構(gòu)的抗震承載力，抗震措施包括強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)若錨固，以及抗震構(gòu)造措施等。

2.2 剛 度

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力稱為剛度。剛度在結(jié)構(gòu)抗震中起十分重要的作用，設(shè)計(jì)者通過選取不同的結(jié)構(gòu)形式來控制建筑物剛度的大小。例如框架結(jié)構(gòu)的剛度相比框架剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度要小，在地震荷載作用下容易產(chǎn)生較大的變形，不利于抗震。結(jié)構(gòu)的剛度主要影響的是結(jié)構(gòu)本身的自振周期，結(jié)構(gòu)的自振周期只與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量有關(guān)，兩個(gè)外表相似的結(jié)構(gòu)，如果周期相差很大，其動(dòng)力性能也有很大的差別，避免動(dòng)力性能相近是為了避免共振的產(chǎn)生，而共振對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震來說是致命的，一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師通過對(duì)結(jié)構(gòu)合理的布局有效的避免由于不合理的剛度分布帶來的不利抗震因素。下面介紹一種常見的由于剛度突然的改變引起的一種抗震常見的破壞形式。

3 鞭梢效應(yīng)

鞭梢效應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中對(duì)簡單框架結(jié)構(gòu)的主振型分析，當(dāng)?shù)撞康馁|(zhì)量和剛度突然減小時(shí)，頂部的位移比下部的位移要大的很多，建筑結(jié)構(gòu)中，這種因頂部質(zhì)量和剛度的突然地減小，在震動(dòng)中引起的巨大反響的現(xiàn)象稱為鞭梢效應(yīng)。地震災(zāi)害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，屋頂?shù)男￠w樓，女兒墻等附屬結(jié)構(gòu)物破壞嚴(yán)重，就是因?yàn)轫敳抠|(zhì)量和剛度的突變，有鞭梢效應(yīng)引起的結(jié)果。在地震的作用下，在每一個(gè)來回的轉(zhuǎn)折的瞬間，形成較大的速度，產(chǎn)生較大的位移，就像鞭子尖一樣“甩動(dòng)”。事實(shí)上，地上的建筑物就是整個(gè)大地的“突出物”塔樓就是大底盤裙房的“突出物”同樣屋頂?shù)臉?gòu)筑物就是主體建筑物的“突出物”因此所有的這些“突出物”的手里和運(yùn)動(dòng)構(gòu)成相對(duì)于他們的下不來說都屬于變少效應(yīng)。本質(zhì)上來說，可以從地震波的傳遞角度來理解鞭梢效應(yīng)。地震波的傳遞構(gòu)成中由大的振幅向曉得振幅轉(zhuǎn)變，將產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，從而產(chǎn)生巨大的位移，超出結(jié)構(gòu)材料的極限拉壓應(yīng)變，造成結(jié)構(gòu)破壞。

4 建 議

避免鞭梢效應(yīng)，可以從內(nèi)力計(jì)算、抗震措施、概念設(shè)計(jì)和薄弱層簡化來改變。借助不同類型的放大系數(shù)來減小鞭梢效應(yīng)的影響。大量學(xué)者和工程師對(duì)鞭梢效應(yīng)進(jìn)行研究，一般來說從詳細(xì)設(shè)計(jì)階段考慮多建議采用完整的空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，包括動(dòng)力彈性，彈塑性分析以及精確的對(duì)鞭梢效應(yīng)進(jìn)行分析。從初步設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，更希望采用便捷和具有足夠安全性的設(shè)計(jì)方式，但是無論采用什么方式做設(shè)計(jì)，抗震措施和概念設(shè)計(jì)必須格外重視。

5 結(jié) 語

在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，建筑物的延性和剛度對(duì)建筑物的抗震性能有十分重要的影響，并且要避免由于剛度突變帶來的鞭梢效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡志霞.抗震分析與設(shè)計(jì)在高層建筑物中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2008，（10）.

[2] 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.

[3] 李愛群，高振世.工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 易偉健，張望喜.混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.