淺談結構設計的抗震措施與抗震構造措施

楊 祿

（中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030023）

鋼筋混凝土房屋在設計時根據(jù)設防類別、烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級?？拐鸬燃壥求w現(xiàn)對結構延性要求的重要設計參數(shù)，不同的抗震等級體現(xiàn)了結構延性要求的不同?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》通過抗震措施、抗震構造措施兩種具體途徑來控制結構的延性水平。本文就鋼筋混凝土結構設計時所涉及到的抗震措施與抗震構造措施的區(qū)別和應用談一談個人的認識。

一、抗震措施與抗震構造措施

抗震措施是指除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內(nèi)容，包括抗震構造措施?？拐饦嬙齑胧┦歉鶕?jù)抗震概念設計原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分采取的各種細部要求。

“抗震措施”是除了地震作用計算和構件抗力計算以外的抗震設計內(nèi)容，包括建筑總體布置、結構選型、地基抗液化措施、考慮概念設計對地震作用效應（內(nèi)力和變形等）的調(diào)整，以及各種抗震構造措施。在這里，地震作用計算指地震作用標準值的計算，不包括地震作用效應（內(nèi)力和變形）設計值的計算，不等同于抗震計算。“抗震構造措施”是指根據(jù)抗震概念設計的原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部構造，如構件尺寸、高厚比、軸壓比、長細比、板件寬厚比，構造柱和圈梁的布置和配筋，縱筋配筋率、箍筋配箍率、鋼筋直徑、間距等構造和連接要求等等。

根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》的要求，建筑工程根據(jù)重要性程度不同，劃分為四個抗震設防類別：甲類、乙類、丙類、丁類，各抗震設防類別建筑的抗震措施，應符合相應要求：甲類，應按高于本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施，但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施；乙類，應按高于本地區(qū)抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施，但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施；丙類，應按本地區(qū)抗震設防烈度確定其抗震措施；丁類，允許比本地區(qū)抗震設防烈度的要求適當降低其抗震措施，但抗震設防烈度為6度時不應降低。

不同抗震設防類別的建筑，其抗震措施的提高和降低，應包括除地震作用計算和抗力計算外的所有規(guī)定，與場地條件無關；而抗震構造措施只是抗震措施的一部分，其提高和降低的規(guī)定僅涉及到抗震設防標準的部分調(diào)整問題，在Ⅰ類場地0.15g和0.30g的Ⅲ、Ⅳ類場地條件下，還需做局部調(diào)整。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，建筑物所處場地不同，其抗震構造措施的確定應作出相應調(diào)整。下附表1匯總了乙、丙類建筑與場地相關的抗震構造措施的調(diào)整要求。

二、關于延性

延性是指非彈性變形能力，結構總體延性是指整個結構體系承受變形的能力，多用位移表示。延性結構在達到最大承載力后，能夠經(jīng)受很大變形，有較長的平臺段，在承載力沒有顯著降低的情況下，還能經(jīng)歷很大的非線性變形后所發(fā)生的破壞，在破壞前能給人以警示。

現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》的抗震設防目標是“三水準”，“小震不壞”可以通過結構的抗震承載力驗算予以實現(xiàn)；而在遭遇到罕遇地震的影響時要達到“大震不倒”的設防目標，則主要依靠結構的延性。所以，在概念設計中特別強調(diào)結構延性的重要意義。當然，允許結構出現(xiàn)較大的彈塑性變形，將造成結構一定程度的損害。因此，我們應將發(fā)生概率較大的小震作用下的變形限制在彈性變形范圍內(nèi)，將發(fā)生概率較小的中震作用下的結構變形限制在可修范圍內(nèi)，而將發(fā)生概率很小的大震作用下的結構變形限制在不倒的范圍內(nèi)。也就是說，只允許在中震、大震作用下利用結構延性。

一個結構抵抗強烈地震的能力強弱，主要取決于這個結構對地震能量“吸收與耗散”能力的大小。要使結構在遭遇強烈地震時具有很強的抗倒塌能力，最理想的是使結構中的所有構件均具有很高的延性。然而，在實際工程中很難完全做到這一點。有效的辦法是，有選擇地重點提高結構中的重要構件以及某些構件中關鍵部位的延性。設計時有意識地設置一系列有利的屈服區(qū)，使這些并不危險的部位首先形成塑性鉸，把能量耗散在整個結構的平面和高度方面上，這樣結構既可承受反復的塑形變形而又不倒塌，仍具有一定的承載能力。這種能力主要依靠結構在有利部位產(chǎn)生塑性鉸，即將塑性鉸控制在一些預定部位從而保護主要承重體系，否則塑性鉸的出現(xiàn)可能使結構成為可變的機構而失去承載能力，引起過早倒塌。

三、控制結構延性的具體途徑

《建筑抗震設計規(guī)范》將延性要求分成四個層次：最好、好、較好、一般。將鋼筋砼結構分成四個抗震等級：一級、二級、三級、四級，不同的抗震等級體現(xiàn)了結構延性要求的不同?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》采用兩種具體途徑來控制結構的延性，保證結構的抗震性能：通過“內(nèi)力調(diào)整”（抗震措施）來控制構件的破壞形態(tài)；通過規(guī)定具體的“構造措施”來實現(xiàn)其他延性要求。

“調(diào)整內(nèi)力”材料、構件或結構的破壞可分為脆性破壞和延性破壞兩類。通過研究發(fā)現(xiàn)，砼構件如框架梁、柱在地震作用下的破壞有兩種形式：彎曲破壞和剪切破壞。彎曲破壞是縱向主筋屈服引起的，延性好，屬于延性破壞；剪切破壞是混凝土破壞，延性差，屬于脆性破壞，所以《建筑抗震設計規(guī)范》通過“強剪弱彎”來避免剪切破壞。具體實施是：通過調(diào)整剪力設計值，即取V＝ηvb（MLb+Mrb）/ln+VGb，并且通過對調(diào)整系數(shù)ηv的取值大小來體現(xiàn)對不同層次延性要求的差別。由于“柱鉸機制”的延性不如“梁鉸機制”，所以《建筑抗震設計規(guī)范》通過“強柱弱梁”來實現(xiàn)“梁鉸機制”。具體實施是：通過調(diào)整彎矩設計值，即取ΣMc=ηcΣMb，并且通過調(diào)整系數(shù)ηc的取值大小來體現(xiàn)對不同層次延性要求的差別。（見附表2）

從表中橫向看，自左向右調(diào)整系數(shù)η的值依次在減小，這表明對延性的要求在降低。

從表中豎向看，相同的延性要求，其調(diào)整系數(shù)η的值不同，這是反映控制屈服順序的考慮，即允許先屈服的調(diào)整系數(shù)低。

《建筑抗震設計規(guī)范》通過大量的“構造措施”來實現(xiàn)結構的延性，這些規(guī)定亦是分成四個層次來滿足不同的延性要求，現(xiàn)列出框架柱的兩個具體規(guī)定，見表附3。

從表中可以看出，這兩項構造措施的變化規(guī)律是不同的，軸壓比小則延性好，而最小配筋率高則延性好。

附表1 乙、丙類建筑的抗震措施和抗震構造措施

附表2 《建筑抗震設計規(guī)范》中的系數(shù)η的取值

附表3 框架柱部分構造措施的具體規(guī)定