鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)代抗震思路的理解和討論

賈福東

1 現(xiàn)代抗震思路的發(fā)展

在人類漫長(zhǎng)的歷史發(fā)展進(jìn)程中，地震作為人類面臨的主要的自然災(zāi)害，對(duì)人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生過(guò)巨大的危害，但由于實(shí)踐和認(rèn)識(shí)方面的原因一直未能找到挑戰(zhàn)這一自然力的有效辦法。隨著生產(chǎn)力的大發(fā)展及人類文明進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，特別是城市化的發(fā)展，人們對(duì)居住條件提出了更高的要求，建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究也因此獲得了快速的發(fā)展。

世界各國(guó)最早提出抗震設(shè)計(jì)的是日本，規(guī)定取房屋重力荷載的0.1倍，即水平加速度為0.1g作為地震水平力，并將它按各樓層的重力荷載比值分配給各樓層。這種方法既沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的彈性動(dòng)力特征，也沒(méi)有找出地震作用的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。而1927年的美國(guó)UBC第一版也是取地震作用為0.1乘以房屋重力荷載。

自1933年美國(guó)首次記錄到地震的地面運(yùn)動(dòng)記錄以后，20世紀(jì)40年代Biot從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度提出了彈性反應(yīng)譜概念。50年代Housner發(fā)表了他用Duhamel積分作出的EL Centro地震的彈性加速度譜、速度譜和位移譜。雖然這個(gè)彈性反應(yīng)譜揭示了結(jié)構(gòu)在地震地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)力特性，具有里程碑的意義，但無(wú)法解釋實(shí)際大、中震作用于結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的危害遠(yuǎn)小于彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果的這一事實(shí)。20世紀(jì)60年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，直接動(dòng)力法作為一種新的地震反應(yīng)計(jì)算方法得到了迅猛的發(fā)展。直到20世紀(jì)70年代后期Newmark等人才逐步提出了考慮結(jié)構(gòu)非彈性性能的抗震設(shè)計(jì)思路。他認(rèn)為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)取用不大的地震作用只是賦予了結(jié)構(gòu)一個(gè)基本的屈服力，而發(fā)生更大的地震時(shí)是靠結(jié)構(gòu)必要的非彈性變形能力來(lái)抵抗足夠大的地震沖擊。Newmark還首次提出了延性(ductity)的概念。此后，Newmark又利用自己編制出的非線性動(dòng)力反應(yīng)程序和簡(jiǎn)單的雙折線無(wú)剛度退化模型對(duì)不同周期的初始剛度相同的單自由度體系在多條地面運(yùn)動(dòng)輸入下的動(dòng)力反應(yīng)做出了初步系統(tǒng)分析，提出了“等位移原理”和“等能量原理”，揭示出了不同彈性周期的結(jié)構(gòu)取不同的屈服水準(zhǔn)值時(shí)，在同一個(gè)地面運(yùn)動(dòng)輸入下屈服水準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)最大非彈性位移之間的關(guān)系。這既揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準(zhǔn)不高的結(jié)構(gòu)在較大地震下引起了非彈性動(dòng)力反應(yīng)中不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞和倒塌的主要原因，也有力的回答了Housner彈性反應(yīng)譜所帶來(lái)的疑問(wèn)。

考慮結(jié)構(gòu)非彈性性能的抗震設(shè)計(jì)思路是真正意義上的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論，已成為現(xiàn)在各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本理論依據(jù)。它實(shí)際上也是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的“基于性態(tài)抗震設(shè)計(jì)理念”的基本依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。

2 現(xiàn)代抗震思路的核心內(nèi)容

通過(guò)對(duì)R—μ—T關(guān)系的研究從而構(gòu)建整套“抗震延性設(shè)計(jì)體系”，是現(xiàn)代抗震思路的出發(fā)點(diǎn)與核心內(nèi)容。這里R為同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下最大彈性反應(yīng)力與非彈性反應(yīng)屈服力之間的比值(R=pe/py)，稱R為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡(jiǎn)稱地震力降低系數(shù);μ為結(jié)構(gòu)最大非彈性反應(yīng)位移Δmax與屈服位移Δy之間的比值(μ=Δmax/Δy)，稱μ為位移延性系數(shù);T為按結(jié)構(gòu)彈性剛度求得的結(jié)構(gòu)自振周期。各國(guó)在這一領(lǐng)域中作了深入的分析工作。研究的對(duì)象是單自由度體系選用不同的滯回規(guī)律時(shí)，其屈服水準(zhǔn)與彈性自振周期以及最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)之間的關(guān)系;以及地面運(yùn)動(dòng)特征(包含場(chǎng)地土特征)不同時(shí)，給這種關(guān)系帶來(lái)的變化。

從非彈性動(dòng)力反應(yīng)分析中可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的R—μ—T三者之間存在密切的關(guān)系。對(duì)于彈性周期較長(zhǎng)(大于1.0 s)的結(jié)構(gòu)體系，彈性體系與彈塑性體系的最大位移反應(yīng)可以認(rèn)為是相同的，設(shè)計(jì)時(shí)用來(lái)確定結(jié)構(gòu)承載力的水平地震作用Vep取值越小(即R越大)，結(jié)構(gòu)在非彈性動(dòng)力反應(yīng)中達(dá)到的位移延性系數(shù)μ(最大反應(yīng)與屈服位移之比)會(huì)按同樣的比例增大;對(duì)于T較小(在0.12 s～0.5 s之間)的結(jié)構(gòu)體系，R越大，位移延性系數(shù) μ(按 R=以更快的比例增長(zhǎng);而對(duì)于T更小(小于0.035)的結(jié)構(gòu)，則只能形成彈性反應(yīng)，R只能等于1.0;而處在這三個(gè)范圍之間的區(qū)域的R—μ—T關(guān)系則處在相鄰兩個(gè)上述特征區(qū)的法則之間。

所以，以結(jié)構(gòu)的彈性反映為準(zhǔn)，如果我們把結(jié)構(gòu)用來(lái)做承載能力設(shè)計(jì)的地震作用取的越小，即R越大，那么結(jié)構(gòu)在相同的地震作用下達(dá)到的非彈性水平位移就越大，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移延性要求就越高，塑性變形能力就應(yīng)越好;相反，當(dāng)R取較小值時(shí)(即取較大的“小震”地震作用時(shí))對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求就可以越松。

形成上述R—μ—T關(guān)系，塑性變形能是個(gè)很重要的因素。它是由結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的滯回耗能能力來(lái)體現(xiàn)的，從量上可以用力—位移曲線下包圍的面積來(lái)衡量。如果我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)，以至于在中、大震來(lái)了之后整個(gè)結(jié)構(gòu)還處于彈性階段，則結(jié)構(gòu)是以相對(duì)小的彈性位移和巨大的抗力(小R小μ)來(lái)作為代價(jià)的。這種設(shè)計(jì)往往造成“肥梁胖柱”的局面，既不美觀也不經(jīng)濟(jì)。從周期T的角度講，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)還處于彈性階段，剛度未退化，周期未折減，由加速度反應(yīng)譜可知此時(shí)結(jié)構(gòu)受的還是一個(gè)最高的地震作用。如果按現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)同樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，取中震地震作用的一個(gè)折減值作為承載能力設(shè)計(jì)的地震作用(即R＞1)，那么相同地震作用下結(jié)構(gòu)就會(huì)部分進(jìn)入塑性變形階段。此時(shí)結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力(塑性耗能)起了耗散地震能的作用。而且結(jié)構(gòu)一旦屈服進(jìn)入彈塑性階段，其剛度立即折減，周期減小，從加速度反應(yīng)譜可知作用于結(jié)構(gòu)上的地震作用也會(huì)降低。而延性是保證這種良好狀態(tài)的最重要手段，因?yàn)檠有缘母叩椭苯記Q定了結(jié)構(gòu)屈服后繼續(xù)變形和塑性耗能的能力。所以設(shè)計(jì)承載力取得越低延性要求就越高(用μ來(lái)體現(xiàn))。

根據(jù)上述的R—μ—T關(guān)系可以看到中國(guó)規(guī)范的抗震設(shè)防目標(biāo)(即“小震不壞，中震可修，大震不倒”)對(duì)甲、乙、丙三類抗震設(shè)防類別并非都是中肯的。在闡述理由之前我們先來(lái)個(gè)假定，即從純的R—μ—T關(guān)系上去考察中國(guó)的抗震設(shè)防目標(biāo)，拋開(kāi)中國(guó)規(guī)范地震力取得對(duì)不對(duì)，或中國(guó)規(guī)范的抗震措施對(duì)“μ”反映的到不到位等因素。中國(guó)規(guī)范對(duì)于甲類建筑規(guī)定其地震作用高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，即取較大地震力做抗震設(shè)計(jì)，根據(jù)R—μ—T關(guān)系可知若取較大地震力做抗震設(shè)計(jì)(取較小R)，此時(shí)對(duì)建筑物的延性要求并不高，然而規(guī)范對(duì)甲類建筑的抗震措施卻是提出了比本地區(qū)抗震設(shè)防更高的要求，故可以看出規(guī)范對(duì)甲類建筑抗震設(shè)計(jì)的要求從概念上高于“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。同樣的，規(guī)范對(duì)乙類建筑的抗震措施也是提出了比本地抗震設(shè)防烈度更高的要求，故規(guī)范對(duì)乙類建筑的要求也是高于抗震設(shè)防目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。而規(guī)范規(guī)定丙類建筑的地震作用和抗震措施均應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，符合普遍意義上的R—μ—T關(guān)系。故抗震設(shè)防目標(biāo)就甲、乙、丙三類建筑來(lái)說(shuō)，在概念上對(duì)丙類建筑才是最合適的。

而中國(guó)規(guī)范的現(xiàn)行抗震思路卻與國(guó)際上的這種主導(dǎo)形勢(shì)有著概念上的差別。中國(guó)規(guī)范的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性等級(jí)是按所處的烈度區(qū)來(lái)劃分的，規(guī)定各種結(jié)構(gòu)，不論處在哪個(gè)烈度區(qū)都取用一個(gè)相同的C(C=0.35)，得到一個(gè)統(tǒng)一的R=1/C=2.86，從而把用于結(jié)構(gòu)截面承載力和變形驗(yàn)算的“小震”賦予一個(gè)固定的統(tǒng)計(jì)定義。而按照R—μ—T關(guān)系，對(duì)統(tǒng)一的R值，也即用于設(shè)計(jì)的地震作用相對(duì)于該烈度區(qū)中震的比值如果不變，則對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求也應(yīng)是相同的(即μ的取值也應(yīng)是相同的)，而與處在什么烈度區(qū)沒(méi)關(guān)系。但實(shí)際上規(guī)范中規(guī)定的措施是9度區(qū)最嚴(yán)，8度區(qū)次之，7度區(qū)最松，也就是說(shuō)9度區(qū)結(jié)構(gòu)延性最強(qiáng)，8度區(qū)次之，7度區(qū)最弱。雖然中國(guó)規(guī)范也意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題并采取了一定的措施，如為了考慮各類結(jié)構(gòu)及同一類結(jié)構(gòu)中不同組成部分對(duì)延性的不同需求，建立了“抗震等級(jí)”的概念，但中國(guó)這套做法到底存在什么問(wèn)題，在什么情況下會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，只有針對(duì)各烈度區(qū)進(jìn)行一系列非線性動(dòng)力反應(yīng)分析檢驗(yàn)才能得出結(jié)論。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的核心抗震措施

抗震措施是結(jié)構(gòu)延性能力的根本保證，延性要求越高，抗震措施越嚴(yán)。對(duì)于鋼筋混凝土，抗震措施主要包括內(nèi)力調(diào)整措施和抗震構(gòu)造措施。新西蘭知名教授Robert Park和Thomas Paulay首先對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震措施提出了較為系統(tǒng)的闡述，他們?nèi)∶@套理論為能力設(shè)計(jì)(capacity design)，現(xiàn)已被世界各國(guó)的抗震界普遍接受。其基本內(nèi)容:1)人為增大柱子的抗彎能力，而不加大梁的抗彎能力，使得框架的塑性鉸更多的出現(xiàn)在梁端，而不是柱端，從而形成以梁端出鉸為主的塑性耗能機(jī)構(gòu)，即“強(qiáng)柱弱梁”措施。2)人為加大柱端、梁端和節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，也就是人為加大這些部位相對(duì)于正截面承載能力的抗剪能力，使得結(jié)構(gòu)在大震引起的交替非彈性變形過(guò)程中其任何構(gòu)件都不會(huì)先發(fā)生剪切破壞，即“強(qiáng)剪弱彎”措施。3)在通過(guò)第2)條防止了剪切破壞后，根據(jù)第1)條引導(dǎo)形成的塑性耗能機(jī)構(gòu)，應(yīng)通過(guò)抗震構(gòu)造措施或限制條件來(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，即保證足夠的延性。

中國(guó)規(guī)范雖然沒(méi)有直接使用“能力設(shè)計(jì)”這個(gè)詞，但上述三點(diǎn)內(nèi)容已得到了體現(xiàn)，并成為我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)“抗震措施”的同義詞。由于抗震結(jié)構(gòu)延性要求可能不同，因此上述“能力設(shè)計(jì)”三項(xiàng)措施的嚴(yán)格程度也就有所區(qū)別。雖然中國(guó)規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土延性等級(jí)的劃分以烈度取為主要依據(jù)(如前所述這在概念上與R—μ—T規(guī)律相矛盾)，但是還要考慮各類結(jié)構(gòu)以及同一類結(jié)構(gòu)中不同組成部分對(duì)延性的不同需求，因此中國(guó)規(guī)范建立了“抗震等級(jí)”(即抗震措施的等級(jí))的概念，并將其分為一、二、三、四級(jí)。在對(duì)內(nèi)力調(diào)整措施和抗震構(gòu)造措施做出規(guī)定時(shí)只需按給出各抗震等級(jí)的相應(yīng)規(guī)定就全部清楚了，這樣用起來(lái)會(huì)比較方便。所以也有人說(shuō)中國(guó)規(guī)范的這種做法實(shí)質(zhì)上是一種揚(yáng)長(zhǎng)避短的措施。

4 結(jié)語(yǔ)

基于以上對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)代抗震思路的討論，并通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代抗震思路的發(fā)展的討論和總結(jié)，得出以下結(jié)論:

1)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)最有意義的是結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)。振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法都是計(jì)算多自由度彈性體系最大地震反應(yīng)的方法。2)采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)精度較高，但計(jì)算量較大，必須通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算。

[1]白紹良.鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)性能與設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，2005.

[2]沈聚敏，周錫元，高小旺，等.抗震工程學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]洪 鑫.建筑結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)研究[J].山西建筑，2011，37(11):37-38.