淺談混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計中的能力設計法

張韶宇

摘 要：本文初步總結(jié)了我國現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計的能力設計法，提倡在設計中明確思路，主動控制破壞的次序、破壞的部位、破壞的形態(tài)，形成合理的延性抗震體系。

關鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設計；能力設計法；控制

“能力設計方法”由新西蘭學者首先提出，并用之于抗震規(guī)范。方法的關鍵在于將控制概念引入結(jié)構(gòu)抗震設計，有目的地引導結(jié)構(gòu)破壞機制，避免不合理的破壞形態(tài)。該方法不僅使得結(jié)構(gòu)抗震性能和能力更易于掌握，同時也使得抗震設計變得更為簡便明確。現(xiàn)行的各國抗震規(guī)范均在不同程度上采用了能力設計方法的思路。本文初步總結(jié)了我國現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計的能力設計法。

1 結(jié)構(gòu)設計方法的層次

對于一個確定的結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)設計方法一般分為三個層次（詳見文獻[2]）。第一層次是指安全度的考慮，采用一次二階矩法，主要包括四個方面內(nèi)容：結(jié)構(gòu)安全等級和抗震等級、荷載取值和地震作用大小的計算、材料取值、分項系數(shù)和組合系數(shù)的取值。第二層次是結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析，依據(jù)受力變形情況有幾何線性分析與非線性分析，依據(jù)材料特性有彈性分析和塑性分析。第三層次是構(gòu)件、截面的設計和結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造設計。

2 不同設計層次上的能力保護

混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計中的能力設計法是以不同構(gòu)件的受力特征和失效方式為基礎，避免脆性破壞，引導結(jié)構(gòu)在地震作用下形成以梁鉸為主的延性耗能機構(gòu)，并且使重要承重構(gòu)件在其塑性鉸區(qū)屈服后依靠構(gòu)造措施保證承載力不降低而且有相當?shù)乃苄宰冃文芰?，從而實現(xiàn)抗震結(jié)構(gòu)延性設計目標的方法。其基本思想是：主動控制結(jié)構(gòu)的破壞按設計者預想的形式發(fā)生。具體的實現(xiàn)方法就是在設計過程中控制破壞的次序、破壞的部位、破壞的形態(tài)?；诜磻V的能力設計方法是我國抗震設計的基本思路，在不同設計層次上都有體現(xiàn)。

在設計的第一層次，能力設計法主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)抗震等級的劃分和地震作用的調(diào)整兩個方面。為保證結(jié)構(gòu)使用的安全，不同使用功能和重要性的結(jié)構(gòu)在地震作用下有不同的結(jié)構(gòu)延性要求，依據(jù)“設防類別、結(jié)構(gòu)類型、設防烈度、房屋高度”的不同，劃分不同的抗震等級。不同的抗震等級則采用不同的地震作用計算和不同的抗震措施?？拐鸬燃壥且?guī)范中結(jié)構(gòu)抗震設計全面性、控制性的指標，是方向性的指標。因為地震的復雜性、不確定性和人們現(xiàn)階段分析地震作用方法的限制性，需要對計算的地震大小進行合理性的判斷，必要時應進行調(diào)整。地震作用的調(diào)整主要有兩個內(nèi)容：①地震作用應滿足樓層最小地震剪力要求，不滿足時應增大地震作用。該項控制指標，主要是為了反映地面地震運動速度、位移對結(jié)構(gòu)的作用影響，彌補加速度反應譜計算方法的不足。②當采用振型分解反應譜法的計算結(jié)果略小于彈性時程分析的結(jié)果時，可采取直接加大地震作用的方法，簡化設計。可以看出，在第一層次上能力設計法在總體層面上既保證了設計輸入時地震作用的合理性，又控制了設計結(jié)果輸出的方向和結(jié)構(gòu)的設計安全度。

在設計的第二層次，能力設計法主要體現(xiàn)在對地震作用標準值進行調(diào)整方面。具體有以下四個主要內(nèi)容：①結(jié)構(gòu)在“水平向”可以有多種抗側(cè)力體系構(gòu)成，不同系統(tǒng)有不同的能力，構(gòu)成多道抗震防線。其中，作為第二道防線的結(jié)構(gòu)在地震作用下應具備最基本的承載能力要求，保證大震下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并防止結(jié)構(gòu)全部倒塌。該項要求必須達到，不足時應進行人為調(diào)整增大。如：框架-抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)中框架部分應滿足最小總地震剪力要求，保證在大震作用下框架能發(fā)揮第二道防線作用。同理，板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中板柱結(jié)構(gòu)為第二道防線，也應滿足最小總地震剪力要求。②帶轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)可以看作在“豎向”由多種結(jié)構(gòu)體系“混合”而成，其中轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件和框支柱組成的轉(zhuǎn)換體系一般是結(jié)構(gòu)下部薄弱部位，地震時破壞將引起結(jié)構(gòu)整體倒塌，應保護這些轉(zhuǎn)換部位，使塑性鉸在轉(zhuǎn)換層以上部位出現(xiàn)，形成合理的整體屈服機制。規(guī)范規(guī)定應將這些部位在水平地震作用下的內(nèi)力標準值人為調(diào)整增大。③同一結(jié)構(gòu)中，從豎向看，突出屋面的結(jié)構(gòu)在地震作用下存在鞭梢效應，若采用底部剪力法分析應放大該部分的地震剪力，若采用振型分解反應譜法分析則應將該部分作為單獨質(zhì)點考慮。不規(guī)則的結(jié)構(gòu)薄弱層應加強保護，該層地震剪力標準值應放大1.15～1.25倍。④同一結(jié)構(gòu)中，從水平向看，規(guī)則不耦聯(lián)結(jié)構(gòu)采用放大邊榀地震作用的方法考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應采用更精確分析方法考慮地震的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應。可以看出，在第二層次上能力設計法通過對結(jié)構(gòu)不同分體系的承載能力調(diào)整和同一結(jié)構(gòu)中重要部位、薄弱部位的承載能力調(diào)整，達到控制地震作用下結(jié)構(gòu)體系破壞次序、破壞部位的目的。

在設計的第三層次，能力設計法主要體現(xiàn)在對地震作用控制的內(nèi)力組合設計值的調(diào)整和對結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取延性構(gòu)造措施兩個方面。具體有以下七個主要內(nèi)容：①構(gòu)件設計時應避免發(fā)生脆性剪切破壞，人為調(diào)整構(gòu)件端斜截面受剪承載力高于正截面受彎承載力，實現(xiàn)“強剪弱彎”設計，如：框架梁、框架柱、剪力墻的底部加強區(qū)。②框架設計時應避免整體出現(xiàn)易倒塌的柱端屈服型破壞機制，人為調(diào)整柱端受彎承載力高于梁端受彎承載力，實現(xiàn)“強柱弱梁”。③框架結(jié)構(gòu)的底層柱下端，在強震作用下雖然不可避免出現(xiàn)塑性鉸，但希望塑性鉸不要過早出現(xiàn)，設計時將該部位的彎矩設計值人為加大，實現(xiàn)“強柱根”。同時框架結(jié)構(gòu)的角柱在雙向地震作用下，扭轉(zhuǎn)效應明顯，破壞后果嚴重，設計時人為加大其彎矩設計值和剪力設計值。④框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點是使梁、柱組成結(jié)構(gòu)的關鍵，在地震作用下應避免早于構(gòu)件破壞，設計時采用節(jié)點剪力增大系數(shù)進行節(jié)點核芯區(qū)截面抗震驗算，滿足“強節(jié)點”的要求。⑤為控制剪力墻的塑性鉸位置在底部出現(xiàn)，增大剪力墻底部加強區(qū)以上部位的剪力設計值、彎矩設計值。⑥受力復雜而且重要的轉(zhuǎn)換構(gòu)件（如：框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的框支柱等）的彎矩設計值、剪力設計值調(diào)整增大。⑦采用保證構(gòu)件延性的構(gòu)造措施，如框架梁端的混凝土相對受壓區(qū)高度、豎向構(gòu)件（框架柱、剪力墻）的軸壓比要求等?？梢钥闯?，在第三層次上能力設計法通過人為調(diào)整構(gòu)件最終配筋情況和采取各項延性構(gòu)造措施，確保脆性構(gòu)件和不宜用于耗能的構(gòu)件（應進行能力保護的構(gòu)件）處于彈性反應范圍，達到控制構(gòu)件破壞形態(tài)，進而控制結(jié)構(gòu)破壞機制的目的。

3 基于性能的抗震設計

我國現(xiàn)行抗震規(guī)范中的能力設計方法本質(zhì)上是基于承載力和構(gòu)造保證延性的設計方法，延性設計的思想是通過對抗震能力的主動調(diào)整來實現(xiàn)的。但是，由于混凝土結(jié)構(gòu)開裂后剛度不斷變化內(nèi)力重新分配，結(jié)構(gòu)的變形機構(gòu)和破壞機制并不能準確預測，使該方法顯得比較理想化和簡單?；凇傲Α钡哪芰υO計法對作用不同的構(gòu)件采用相同的、單一的、籠統(tǒng)的性能指標，漸漸不能適應日益復雜的抗震設計要求，最終現(xiàn)代抗震學在能力設計方法的基礎上發(fā)展出了基于性能的抗震設計方法。性能設計的核心思想是針對不同設防目標采用不同水準、多種參數(shù)的定量化抗震設計，目前的研究主要集中在基于位移的抗震設計方法上。我國《建筑抗震設計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》也已經(jīng)有了有關性能設計的條文，這意味著我國的抗震設計方法開始向性能設計的方向進行過渡。

4 小 結(jié)

能力設計的方法不是對內(nèi)力分析的結(jié)果進行“等安全度”的簡單配筋設計，而是以構(gòu)件的受力特征和破壞方式為基礎，通過抗震設計中調(diào)整承載力和延性構(gòu)造，形成“不等安全度”的結(jié)構(gòu)體系，使該體系按預想形式延性破壞。在現(xiàn)有設計技術(shù)手段下，基于“力”的能力設計法簡單、有效，“控制、調(diào)整”的設計思想仍將在結(jié)構(gòu)抗震設計中繼承下去。

參考文獻

[1]邱明兵.建筑結(jié)構(gòu)震害機理與概念設計[M].中國建筑工業(yè)出版社，2011，58～70.

[2]童根樹.鋼結(jié)構(gòu)設計方法[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007，2～4.

[3]建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JG3-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB50010-2010），中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[6]葉列平.體系能力設計法與基于形態(tài)/位移抗震設計[M].建筑結(jié)構(gòu)，2004.