鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中抗震概念和思想貫徹方法研究

王立成　王吉忠

摘要：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為土木工程、水利工程等專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，包含許多結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的概念和思想。5·12汶川地震造成大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同程度的開裂、損壞，甚至倒塌。在課堂教學(xué)中，通過對不同類型構(gòu)件破壞形態(tài)的分析，從結(jié)構(gòu)延性、約束混凝土、“強柱弱梁”等方面，對學(xué)生開展了抗震概念和思想的引導(dǎo)和教育，增強了學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重要性的認識，培養(yǎng)了對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣，為后續(xù)課程，如建筑結(jié)構(gòu)抗震和高層建筑等課程的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；抗震概念；教學(xué)研究

中圖分類號：TU375；G6420 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2014）03008905

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程、水利工程等專業(yè)中一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。學(xué)習(xí)本課程的主要目的是，掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計算的基本理論和構(gòu)造知識，為學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程和從事鋼筋混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計打下牢固的基礎(chǔ)。這些專業(yè)課程包括建筑結(jié)構(gòu)抗震、高層建筑等。建筑結(jié)構(gòu)抗震課程依據(jù)國家規(guī)范GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]，介紹了地震有關(guān)知識、抗震設(shè)計原則與要求、場地分類與基礎(chǔ)抗震、地震作用與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析、砌體結(jié)構(gòu)和多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計與構(gòu)造措施，以及隔震減震設(shè)計等內(nèi)容。混凝土結(jié)構(gòu)按課程內(nèi)容的性質(zhì)通常分為“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”和“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計”兩部分。前者主要講述各種混凝土基本構(gòu)件的受力性能、截面設(shè)計計算方法和構(gòu)造等混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論，屬于專業(yè)基礎(chǔ)課。后者主要講述梁板結(jié)構(gòu)、單層廠房、多層和高層房屋、公路橋梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于專業(yè)課內(nèi)容。

在高校土木工程專業(yè)的課程設(shè)置中，作為專業(yè)基礎(chǔ)課，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常是在三年級講授，建筑結(jié)構(gòu)抗震作為專業(yè)課，在四年級講授。這樣帶來的主要問題是，學(xué)生在學(xué)習(xí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論時，由于缺乏基本的抗震設(shè)計概念和思想，對混凝土結(jié)構(gòu)中與抗震有關(guān)的設(shè)計方法、構(gòu)造措施的理解比較困難。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)理念和教學(xué)方法，與學(xué)生此前學(xué)習(xí)的具有嚴(yán)密科學(xué)邏輯理論體系的基礎(chǔ)課程有很大的不同，要求學(xué)生既要掌握課堂上講授的基礎(chǔ)理論知識，又要綜合考慮材料、施工、經(jīng)濟、構(gòu)造細節(jié)等各方面的因素[2]。

2008年5月12日，四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級地震，舉國震驚，造成了數(shù)萬人死亡或失蹤，數(shù)十萬人受傷，大量道路、橋梁被毀，2 300多萬間房屋損壞，650多萬間房屋倒塌。此類地震災(zāi)害仍然是土木工程專業(yè)學(xué)生所關(guān)心的話題。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖然是講授混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論和設(shè)計方法的課程，然而從鋼筋混凝土的基本材料力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施和技術(shù)等方面都蘊藏著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的概念和思想。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)過程中，向?qū)W生貫徹滲透建筑抗震設(shè)計的概念和思想，通過汶川地震后不同類型構(gòu)件的破壞形態(tài)和破壞特征的分析和學(xué)習(xí)，不僅對充分掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性、破壞性能具有很好的促進作用，而且能夠為將來進一步學(xué)習(xí)掌握抗震設(shè)計的基本知識和設(shè)計理念打下基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實意義。作者在近兩年的教學(xué)工作中，通過向?qū)W生演示自己現(xiàn)場拍攝的大量圖片資料，分析地震引起的結(jié)構(gòu)破壞機理，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的抗震設(shè)計問題和難題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本理論和設(shè)計方法的理解和掌握，取得了非常好的效果。

圖1都江堰市某辦公樓外部損壞

一、抗震設(shè)防目標(biāo)與結(jié)構(gòu)延性

GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對抗震設(shè)防的目標(biāo)提出了“三水準(zhǔn)”的設(shè)計方法，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。特別是第三水準(zhǔn)，當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發(fā)生危機生命的嚴(yán)重破壞。因此，必須保證結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雖然重點講授鋼筋混凝土構(gòu)件在非抗震設(shè)計中的基本計算理論與原理，然而課程中多處提到了結(jié)構(gòu)延性的概念及其與抗震設(shè)計的關(guān)系。因此，在課堂講課過程中，針對地震后結(jié)構(gòu)的破壞狀況展開討論，對更好地理解和掌握結(jié)構(gòu)延性的概念及其對達到抗震設(shè)防目標(biāo)的作用具有重要的推動作用。

5·12汶川地震，都江堰市區(qū)的實際烈度是8度，而抗震設(shè)防烈度為7度。因此，按抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)計的建筑物，應(yīng)能夠達到第三水準(zhǔn)的要求，即滿足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。圖1所示為都江堰市某辦公樓，在地震中雖然遭受了嚴(yán)重損壞，但其主體框架結(jié)構(gòu)卻能保持相對完好，未導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。但其內(nèi)部的梁板構(gòu)件卻大量開裂、變形，說明消耗了大量的地震能量。內(nèi)部構(gòu)件損害如圖2所示。

結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面的延性是指從屈服開始至達到最大承載能力或達到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力，即當(dāng)?shù)卣鹌仁菇Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大的非線性變形時，結(jié)構(gòu)仍能維持其初始強度[3]。也就是說，延性反映結(jié)構(gòu)的后期變形能力。“后期”是指從鋼筋開始屈服進入破壞階段直到最大承載能力（或下降到最大承載能力的85%）時的整個過程。延性是結(jié)構(gòu)超過彈性階段的變形能力，它是結(jié)構(gòu)抗震能力強弱的標(biāo)志。它包括承受極大變形的能力和靠滯回特性吸收能量的能力，是抗震設(shè)計當(dāng)中一個非常重要的特性。延性差的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面，其后期變形能力小，剛進入破壞階段就會破壞，這是不好的。因此，對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面除了要求其滿足承載能力以外，還要求具有一定的延性，其目的在于：

（1）有利于吸收和耗散地震能量，滿足抗震方面的要求。

（2）防止發(fā)生像超筋梁那樣的脆性破壞，以確保生命和財產(chǎn)的安全。

（3）在超靜定結(jié)構(gòu)中，能更好地適應(yīng)地基不均勻沉降以及溫度變化等情況。

（4）使超靜定結(jié)構(gòu)能夠充分地進行內(nèi)力重分布，并避免配筋疏密懸殊，便于施工，節(jié)約鋼材。

以上分析可見，結(jié)構(gòu)延性對提高結(jié)構(gòu)的抗震能力、減小地震造成的破壞和損失具有重要作用。因此，在地震作用下，一味地追求結(jié)構(gòu)的強度并不可取，結(jié)構(gòu)的延性非常重要。

在“小震”作用下，要求結(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來說，就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準(zhǔn)彈性反應(yīng)狀態(tài)，而不進入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài)；同時結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)控制在合理的限制范圍以內(nèi)，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。中震大概相當(dāng)于設(shè)防烈度地震，當(dāng)遭遇中震作用時，結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞，經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟角度來說，維修費用不能太高。對發(fā)生概率極小的罕遇大震（“大震”的烈度比設(shè)防烈度約高一度左右）。要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”作用時，不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這樣一個抗震設(shè)防目標(biāo)是非常經(jīng)濟合理的。因為地震是偶發(fā)性事件，一味地追求結(jié)構(gòu)的強度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)不壞，將會使大量的材料在絕大部分時間里，甚至在整個壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做是不明智的。

以上這些延性與抗震設(shè)計的概念在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程中均有不同程度的體現(xiàn)。比如上面講的一味追求結(jié)構(gòu)的強度并不可取的說法。在混凝土的物理力學(xué)性能的內(nèi)容中，明確指出，隨著混凝土強度的提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段坡度越陡，即應(yīng)力下降相同幅度時變形越小，延性越差，如圖3所示。再比如，要提高梁的抗彎承載力，可以通過增加縱向受拉鋼筋來實現(xiàn)。然而，縱向受拉鋼筋配筋率增大將造成延性的降低。這也是除了限值最小配筋率外，還要規(guī)定配筋率上限值的原因。

圖3不同強度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

二、約束混凝土

使混凝土處于三軸受壓的應(yīng)力狀態(tài)，限制了混凝土的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強度和變形能力，就成為“約束混凝土”。在課程中講述復(fù)合應(yīng)力下混凝土的強度和變形性能時，學(xué)生往往對此問題缺少直接和感性的認識。于是，作者引入鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程實例，使學(xué)生了解到復(fù)合應(yīng)力問題和約束混凝土的工程應(yīng)用，特別是約束后混凝土變形性能的改善對提高結(jié)構(gòu)抗震性能的好處。

隨著近年來高強混凝土、新型組合材料在工程中的應(yīng)用，現(xiàn)代高層建筑將會更多采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)、纖維約束混凝土結(jié)構(gòu)等，使高樓的抗震效果提高到一個新的水平。美國加州大學(xué)戴維斯分校在國際上研究新型約束混凝土結(jié)構(gòu)享有盛譽，該校杰克·莫尼教授出席“約束混凝土國際研討會”時表示，盡管學(xué)術(shù)上對鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)研究有近百年的歷史，但在實際工程中的應(yīng)用不到10年，如果當(dāng)初美國的世貿(mào)大廈采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)，或許在“9·11”恐怖事件中的損失會小一些。國內(nèi)教授也曾指出，新型約束混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，抗震加固性能更加優(yōu)化，地震作用下的延性性能和耗能能力大幅提高。近年在我國得到了較好的應(yīng)用，其中由貝聿銘設(shè)計的60多層高樓、香港上海銀行大樓和深圳賽格市場大廈就是采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的代表作[4]。

圖4為5·12汶川地震中都江堰市一棟建筑受損的情況。可以想象，如果結(jié)構(gòu)的柱子采用類似鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)形式，或者橫向箍筋設(shè)計中增加箍筋數(shù)量（即減小箍筋間距），就可以大大提高結(jié)構(gòu)的承載力，特別是使結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力，而避免出現(xiàn)柱子“燈籠”型破壞方式。

圖4汶川地震后都江堰某建筑柱燈籠型破壞形態(tài)

三、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

在講授預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時，除了要讓學(xué)生理解預(yù)應(yīng)力是如何施加及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能外，還需要重點強調(diào)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點。這樣能夠使學(xué)生在將來的工作中根據(jù)不同情況選擇結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的缺點中，非常重要的一點是：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的延性較差。原因是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，從而造成混凝土開裂后結(jié)構(gòu)的變形過程縮短。這一點與前面講的混凝土結(jié)構(gòu)的延性與抗震的知識相呼應(yīng)，進一步強調(diào)了延性對結(jié)構(gòu)抗震的重要性。

針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中存在的這一致命缺陷，需要明確預(yù)應(yīng)力混凝土抗震設(shè)計應(yīng)遵循的一般原則[5]：

（1）既要做好抗震計算，又要重視概念設(shè)計。一方面，要認真對地震作用、效應(yīng)進行定量計算；另一方面，要選好場地，采用合理的建筑平面、立面，選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系，采用正確的構(gòu)造措施。

（2）采用兩階段設(shè)計，滿足三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。兩階段抗震驗算要求，即第一階段采用小震地震動參數(shù)計算地震作用，進行允許彈性變形驗算，實現(xiàn)第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求，采用荷載分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力驗算，近似實現(xiàn)第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求；第二階段設(shè)計時，采用大震地震動參數(shù)計算地震作用，進行結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。

（3）宜有多道抗震防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)抗震能力或承載能力的喪失。

（4）使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和強度分布，避免薄弱層或薄弱部位的出現(xiàn)。

（5）提高抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，改善其變形能力，應(yīng)進行多遇或罕遇地震作用下的變形驗算。

通過以上知識的介紹和講解，學(xué)生深刻認識到，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力差的問題可以通過一些抗震措施得以緩解，從而擴大了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

四、多道抗震設(shè)防

針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題，可做的工作還很多。比如，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求，對在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]增加了結(jié)構(gòu)抗防連續(xù)倒塌設(shè)計的內(nèi)容，要求采用超靜定結(jié)構(gòu)，重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位應(yīng)增加冗余約束或多條傳力途徑。另外，特增加“結(jié)構(gòu)方案”一節(jié)，由“構(gòu)件計算”擴展到“結(jié)構(gòu)設(shè)計”。強調(diào)結(jié)構(gòu)選型、體系組構(gòu)、構(gòu)件布置、均勻規(guī)則、傳力途徑、冗余約束、縫的分割、連接構(gòu)造、方便施工、綜合功能等要求，特別強調(diào)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性或魯棒性。本項修訂內(nèi)容對轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，即從傳統(tǒng)上強調(diào)構(gòu)件設(shè)計，甚至截面設(shè)計向結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，起到了重要的推動作用[7]。對中小學(xué)校建筑，人群相對集中，又涉及未成年人，現(xiàn)在廣泛存在的大開間教室建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)該考慮在現(xiàn)有抗震防線的基礎(chǔ)上再增加一道抗震防線，從而提高此類建筑的抗震水平[8]。在這一方面，日本由于長期受地震災(zāi)害的影響，積累了很多有益的經(jīng)驗和做法。圖5為日本某大學(xué)的教學(xué)辦公樓以增設(shè)鋼架提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

圖 5日本某大學(xué)教學(xué)辦公樓的抗震增強措施

五、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防是地震設(shè)防區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)過程中向?qū)W生灌輸和滲透抗震設(shè)計的概念和思想對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強抗震設(shè)計的基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)具有重要意義。不僅提高了學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重要性的認識，而且培養(yǎng)了學(xué)生對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣，受到學(xué)生的普遍歡迎。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 王立成，劉毅. 專業(yè)課程教學(xué)中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)途徑研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009，30（S2）： 22-24.

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[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7] 王立成. 2010版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）：55-58.

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在“小震”作用下，要求結(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來說，就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準(zhǔn)彈性反應(yīng)狀態(tài)，而不進入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài)；同時結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)控制在合理的限制范圍以內(nèi)，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。中震大概相當(dāng)于設(shè)防烈度地震，當(dāng)遭遇中震作用時，結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞，經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟角度來說，維修費用不能太高。對發(fā)生概率極小的罕遇大震（“大震”的烈度比設(shè)防烈度約高一度左右）。要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”作用時，不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這樣一個抗震設(shè)防目標(biāo)是非常經(jīng)濟合理的。因為地震是偶發(fā)性事件，一味地追求結(jié)構(gòu)的強度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)不壞，將會使大量的材料在絕大部分時間里，甚至在整個壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做是不明智的。

以上這些延性與抗震設(shè)計的概念在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程中均有不同程度的體現(xiàn)。比如上面講的一味追求結(jié)構(gòu)的強度并不可取的說法。在混凝土的物理力學(xué)性能的內(nèi)容中，明確指出，隨著混凝土強度的提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段坡度越陡，即應(yīng)力下降相同幅度時變形越小，延性越差，如圖3所示。再比如，要提高梁的抗彎承載力，可以通過增加縱向受拉鋼筋來實現(xiàn)。然而，縱向受拉鋼筋配筋率增大將造成延性的降低。這也是除了限值最小配筋率外，還要規(guī)定配筋率上限值的原因。

圖3不同強度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

二、約束混凝土

使混凝土處于三軸受壓的應(yīng)力狀態(tài)，限制了混凝土的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強度和變形能力，就成為“約束混凝土”。在課程中講述復(fù)合應(yīng)力下混凝土的強度和變形性能時，學(xué)生往往對此問題缺少直接和感性的認識。于是，作者引入鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程實例，使學(xué)生了解到復(fù)合應(yīng)力問題和約束混凝土的工程應(yīng)用，特別是約束后混凝土變形性能的改善對提高結(jié)構(gòu)抗震性能的好處。

隨著近年來高強混凝土、新型組合材料在工程中的應(yīng)用，現(xiàn)代高層建筑將會更多采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)、纖維約束混凝土結(jié)構(gòu)等，使高樓的抗震效果提高到一個新的水平。美國加州大學(xué)戴維斯分校在國際上研究新型約束混凝土結(jié)構(gòu)享有盛譽，該校杰克·莫尼教授出席“約束混凝土國際研討會”時表示，盡管學(xué)術(shù)上對鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)研究有近百年的歷史，但在實際工程中的應(yīng)用不到10年，如果當(dāng)初美國的世貿(mào)大廈采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)，或許在“9·11”恐怖事件中的損失會小一些。國內(nèi)教授也曾指出，新型約束混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，抗震加固性能更加優(yōu)化，地震作用下的延性性能和耗能能力大幅提高。近年在我國得到了較好的應(yīng)用，其中由貝聿銘設(shè)計的60多層高樓、香港上海銀行大樓和深圳賽格市場大廈就是采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的代表作[4]。

圖4為5·12汶川地震中都江堰市一棟建筑受損的情況。可以想象，如果結(jié)構(gòu)的柱子采用類似鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)形式，或者橫向箍筋設(shè)計中增加箍筋數(shù)量（即減小箍筋間距），就可以大大提高結(jié)構(gòu)的承載力，特別是使結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力，而避免出現(xiàn)柱子“燈籠”型破壞方式。

圖4汶川地震后都江堰某建筑柱燈籠型破壞形態(tài)

三、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

在講授預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時，除了要讓學(xué)生理解預(yù)應(yīng)力是如何施加及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能外，還需要重點強調(diào)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點。這樣能夠使學(xué)生在將來的工作中根據(jù)不同情況選擇結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的缺點中，非常重要的一點是：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的延性較差。原因是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，從而造成混凝土開裂后結(jié)構(gòu)的變形過程縮短。這一點與前面講的混凝土結(jié)構(gòu)的延性與抗震的知識相呼應(yīng)，進一步強調(diào)了延性對結(jié)構(gòu)抗震的重要性。

針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中存在的這一致命缺陷，需要明確預(yù)應(yīng)力混凝土抗震設(shè)計應(yīng)遵循的一般原則[5]：

（1）既要做好抗震計算，又要重視概念設(shè)計。一方面，要認真對地震作用、效應(yīng)進行定量計算；另一方面，要選好場地，采用合理的建筑平面、立面，選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系，采用正確的構(gòu)造措施。

（2）采用兩階段設(shè)計，滿足三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。兩階段抗震驗算要求，即第一階段采用小震地震動參數(shù)計算地震作用，進行允許彈性變形驗算，實現(xiàn)第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求，采用荷載分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力驗算，近似實現(xiàn)第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求；第二階段設(shè)計時，采用大震地震動參數(shù)計算地震作用，進行結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。

（3）宜有多道抗震防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)抗震能力或承載能力的喪失。

（4）使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和強度分布，避免薄弱層或薄弱部位的出現(xiàn)。

（5）提高抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，改善其變形能力，應(yīng)進行多遇或罕遇地震作用下的變形驗算。

通過以上知識的介紹和講解，學(xué)生深刻認識到，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力差的問題可以通過一些抗震措施得以緩解，從而擴大了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

四、多道抗震設(shè)防

針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題，可做的工作還很多。比如，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求，對在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]增加了結(jié)構(gòu)抗防連續(xù)倒塌設(shè)計的內(nèi)容，要求采用超靜定結(jié)構(gòu)，重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位應(yīng)增加冗余約束或多條傳力途徑。另外，特增加“結(jié)構(gòu)方案”一節(jié)，由“構(gòu)件計算”擴展到“結(jié)構(gòu)設(shè)計”。強調(diào)結(jié)構(gòu)選型、體系組構(gòu)、構(gòu)件布置、均勻規(guī)則、傳力途徑、冗余約束、縫的分割、連接構(gòu)造、方便施工、綜合功能等要求，特別強調(diào)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性或魯棒性。本項修訂內(nèi)容對轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，即從傳統(tǒng)上強調(diào)構(gòu)件設(shè)計，甚至截面設(shè)計向結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，起到了重要的推動作用[7]。對中小學(xué)校建筑，人群相對集中，又涉及未成年人，現(xiàn)在廣泛存在的大開間教室建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)該考慮在現(xiàn)有抗震防線的基礎(chǔ)上再增加一道抗震防線，從而提高此類建筑的抗震水平[8]。在這一方面，日本由于長期受地震災(zāi)害的影響，積累了很多有益的經(jīng)驗和做法。圖5為日本某大學(xué)的教學(xué)辦公樓以增設(shè)鋼架提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

圖 5日本某大學(xué)教學(xué)辦公樓的抗震增強措施

五、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防是地震設(shè)防區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)過程中向?qū)W生灌輸和滲透抗震設(shè)計的概念和思想對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強抗震設(shè)計的基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)具有重要意義。不僅提高了學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重要性的認識，而且培養(yǎng)了學(xué)生對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣，受到學(xué)生的普遍歡迎。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 王立成，劉毅. 專業(yè)課程教學(xué)中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)途徑研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009，30（S2）： 22-24.

[3] 豐定國. 工程結(jié)構(gòu)抗震[M]. 地震出版社，2002.

[4] 國內(nèi)科技動態(tài)：新型約束混凝土結(jié)構(gòu)讓高樓更堅固[EB/OL].[2013-12-01]. http：//ctixm.xmsme.gov.cn/2004-6/2004618162319.htm.

[5] 宋玉普，王立成，車軼. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 機械工業(yè)出版社，2013.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7] 王立成. 2010版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）：55-58.

[8] 王立成. 汶川地震后學(xué)校砌體建筑結(jié)構(gòu)破壞情況調(diào)查與分析[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報，2009，49（5）： 650-656.

在“小震”作用下，要求結(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來說，就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準(zhǔn)彈性反應(yīng)狀態(tài)，而不進入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài)；同時結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)控制在合理的限制范圍以內(nèi)，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。中震大概相當(dāng)于設(shè)防烈度地震，當(dāng)遭遇中震作用時，結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞，經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟角度來說，維修費用不能太高。對發(fā)生概率極小的罕遇大震（“大震”的烈度比設(shè)防烈度約高一度左右）。要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”作用時，不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這樣一個抗震設(shè)防目標(biāo)是非常經(jīng)濟合理的。因為地震是偶發(fā)性事件，一味地追求結(jié)構(gòu)的強度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)不壞，將會使大量的材料在絕大部分時間里，甚至在整個壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做是不明智的。

以上這些延性與抗震設(shè)計的概念在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程中均有不同程度的體現(xiàn)。比如上面講的一味追求結(jié)構(gòu)的強度并不可取的說法。在混凝土的物理力學(xué)性能的內(nèi)容中，明確指出，隨著混凝土強度的提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段坡度越陡，即應(yīng)力下降相同幅度時變形越小，延性越差，如圖3所示。再比如，要提高梁的抗彎承載力，可以通過增加縱向受拉鋼筋來實現(xiàn)。然而，縱向受拉鋼筋配筋率增大將造成延性的降低。這也是除了限值最小配筋率外，還要規(guī)定配筋率上限值的原因。

圖3不同強度混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

二、約束混凝土

使混凝土處于三軸受壓的應(yīng)力狀態(tài)，限制了混凝土的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強度和變形能力，就成為“約束混凝土”。在課程中講述復(fù)合應(yīng)力下混凝土的強度和變形性能時，學(xué)生往往對此問題缺少直接和感性的認識。于是，作者引入鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程實例，使學(xué)生了解到復(fù)合應(yīng)力問題和約束混凝土的工程應(yīng)用，特別是約束后混凝土變形性能的改善對提高結(jié)構(gòu)抗震性能的好處。

隨著近年來高強混凝土、新型組合材料在工程中的應(yīng)用，現(xiàn)代高層建筑將會更多采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)、纖維約束混凝土結(jié)構(gòu)等，使高樓的抗震效果提高到一個新的水平。美國加州大學(xué)戴維斯分校在國際上研究新型約束混凝土結(jié)構(gòu)享有盛譽，該校杰克·莫尼教授出席“約束混凝土國際研討會”時表示，盡管學(xué)術(shù)上對鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)研究有近百年的歷史，但在實際工程中的應(yīng)用不到10年，如果當(dāng)初美國的世貿(mào)大廈采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)，或許在“9·11”恐怖事件中的損失會小一些。國內(nèi)教授也曾指出，新型約束混凝土結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，抗震加固性能更加優(yōu)化，地震作用下的延性性能和耗能能力大幅提高。近年在我國得到了較好的應(yīng)用，其中由貝聿銘設(shè)計的60多層高樓、香港上海銀行大樓和深圳賽格市場大廈就是采用鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的代表作[4]。

圖4為5·12汶川地震中都江堰市一棟建筑受損的情況?？梢韵胂?，如果結(jié)構(gòu)的柱子采用類似鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)形式，或者橫向箍筋設(shè)計中增加箍筋數(shù)量（即減小箍筋間距），就可以大大提高結(jié)構(gòu)的承載力，特別是使結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力，而避免出現(xiàn)柱子“燈籠”型破壞方式。

圖4汶川地震后都江堰某建筑柱燈籠型破壞形態(tài)

三、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

在講授預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)時，除了要讓學(xué)生理解預(yù)應(yīng)力是如何施加及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能外，還需要重點強調(diào)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點。這樣能夠使學(xué)生在將來的工作中根據(jù)不同情況選擇結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的缺點中，非常重要的一點是：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的延性較差。原因是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，從而造成混凝土開裂后結(jié)構(gòu)的變形過程縮短。這一點與前面講的混凝土結(jié)構(gòu)的延性與抗震的知識相呼應(yīng)，進一步強調(diào)了延性對結(jié)構(gòu)抗震的重要性。

針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中存在的這一致命缺陷，需要明確預(yù)應(yīng)力混凝土抗震設(shè)計應(yīng)遵循的一般原則[5]：

（1）既要做好抗震計算，又要重視概念設(shè)計。一方面，要認真對地震作用、效應(yīng)進行定量計算；另一方面，要選好場地，采用合理的建筑平面、立面，選擇合理的抗震結(jié)構(gòu)體系，采用正確的構(gòu)造措施。

（2）采用兩階段設(shè)計，滿足三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。兩階段抗震驗算要求，即第一階段采用小震地震動參數(shù)計算地震作用，進行允許彈性變形驗算，實現(xiàn)第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求，采用荷載分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力驗算，近似實現(xiàn)第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求；第二階段設(shè)計時，采用大震地震動參數(shù)計算地震作用，進行結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。

（3）宜有多道抗震防線，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)抗震能力或承載能力的喪失。

（4）使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和強度分布，避免薄弱層或薄弱部位的出現(xiàn)。

（5）提高抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，改善其變形能力，應(yīng)進行多遇或罕遇地震作用下的變形驗算。

通過以上知識的介紹和講解，學(xué)生深刻認識到，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力差的問題可以通過一些抗震措施得以緩解，從而擴大了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

四、多道抗震設(shè)防

針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題，可做的工作還很多。比如，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對結(jié)構(gòu)體系提出了多道抗震防線的要求，對在大震作用下結(jié)構(gòu)抗倒塌具有重要意義。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]增加了結(jié)構(gòu)抗防連續(xù)倒塌設(shè)計的內(nèi)容，要求采用超靜定結(jié)構(gòu)，重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位應(yīng)增加冗余約束或多條傳力途徑。另外，特增加“結(jié)構(gòu)方案”一節(jié)，由“構(gòu)件計算”擴展到“結(jié)構(gòu)設(shè)計”。強調(diào)結(jié)構(gòu)選型、體系組構(gòu)、構(gòu)件布置、均勻規(guī)則、傳力途徑、冗余約束、縫的分割、連接構(gòu)造、方便施工、綜合功能等要求，特別強調(diào)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性或魯棒性。本項修訂內(nèi)容對轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，即從傳統(tǒng)上強調(diào)構(gòu)件設(shè)計，甚至截面設(shè)計向結(jié)構(gòu)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，起到了重要的推動作用[7]。對中小學(xué)校建筑，人群相對集中，又涉及未成年人，現(xiàn)在廣泛存在的大開間教室建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)該考慮在現(xiàn)有抗震防線的基礎(chǔ)上再增加一道抗震防線，從而提高此類建筑的抗震水平[8]。在這一方面，日本由于長期受地震災(zāi)害的影響，積累了很多有益的經(jīng)驗和做法。圖5為日本某大學(xué)的教學(xué)辦公樓以增設(shè)鋼架提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

圖 5日本某大學(xué)教學(xué)辦公樓的抗震增強措施

五、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防是地震設(shè)防區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)過程中向?qū)W生灌輸和滲透抗震設(shè)計的概念和思想對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強抗震設(shè)計的基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)具有重要意義。不僅提高了學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重要性的認識，而且培養(yǎng)了學(xué)生對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的興趣，受到學(xué)生的普遍歡迎。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 王立成，劉毅. 專業(yè)課程教學(xué)中創(chuàng)新思維的培養(yǎng)途徑研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009，30（S2）： 22-24.

[3] 豐定國. 工程結(jié)構(gòu)抗震[M]. 地震出版社，2002.

[4] 國內(nèi)科技動態(tài)：新型約束混凝土結(jié)構(gòu)讓高樓更堅固[EB/OL].[2013-12-01]. http：//ctixm.xmsme.gov.cn/2004-6/2004618162319.htm.

[5] 宋玉普，王立成，車軼. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 機械工業(yè)出版社，2013.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7] 王立成. 2010版《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》與混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）：55-58.

[8] 王立成. 汶川地震后學(xué)校砌體建筑結(jié)構(gòu)破壞情況調(diào)查與分析[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報，2009，49（5）： 650-656.