淺談鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震分析方法與設(shè)計(jì)原則

莫幸豐

摘 要：近年來，世界各地高強(qiáng)度地震頻發(fā)，我國也未能幸免于難。通過不斷分析地震災(zāi)害中建筑的主要破壞形式，以國家建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范為基本依據(jù)，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)主要理論進(jìn)行說明并提出相關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土 抗震 彈塑性分析 設(shè)計(jì)方法

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0065-02

地震是危及人民生命財(cái)產(chǎn)的一種突發(fā)式自然災(zāi)害，而我國東臨環(huán)太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，這使得我國成為了世界上多地震國家之一。我國的地震活動具有震源淺、強(qiáng)度大、分布范圍廣、重演周期長等特點(diǎn)，并且位于地震區(qū)的大中城市多而其建筑物普遍抗震能力較低。因此，中國范圍內(nèi)的地震通常造成的破壞較大，損失也較為慘重。如1976年7月28日的河北唐山大地震，震級7.8級，整個唐山市頃刻間夷為平地，地震共造成24萬余人死亡，重傷16.4萬人，名列20世紀(jì)世界地震史死亡人數(shù)第一。2008年5月12日的四川汶川地震，震級8.0級，造成6.9萬人死亡，37.5萬人受傷，1.8萬人失蹤，是新中國成立以來破壞力最大的地震，也是繼唐山大地震后傷亡最慘重的一次。2010年4月14日發(fā)生的7.1級青海省玉樹大地震同樣造成了2698名中國同胞遇難。這些慘重的代價中，由于建筑物抗震能力不足而倒塌破壞造成的人員損傷占了很大比例。

在唐山大地震中，唐山市內(nèi)超過90%的房屋徹底倒毀，震中區(qū)的磚石混合結(jié)構(gòu)全部倒塌，而有剪力墻的高層建筑和經(jīng)過抗震設(shè)計(jì)的建筑破壞較少。作為一種特殊的自然災(zāi)害，地震給人們帶來的破壞通常是毀滅性的。為盡量減少其帶來的損失，一個切實(shí)有效的措施就是結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和采取加固方法。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代主流結(jié)構(gòu)形式，對其進(jìn)行抗震研究及設(shè)計(jì)當(dāng)然必不可少。本文將從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)兩個方面進(jìn)行簡單的介紹和探討。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震分析

對結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形和破壞分析可以采用靜力彈塑性分析法即Pushover分析法。

1.1 Pushover分析法的基本原理

Pushover分析法的基本原理和基本做法是，保持施加在結(jié)構(gòu)上的豎向荷載作用不變，并且沿結(jié)構(gòu)的側(cè)面施加某種特定分布形式的水平荷載或位移，隨著水平方向的荷載或位移逐級增加，結(jié)構(gòu)由最初的彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄誀顟B(tài)最后發(fā)生破壞。記錄每級加載的荷載效應(yīng)下結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂、屈服、形成塑性鉸和其他結(jié)構(gòu)破壞行為，通過分析來找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和可能的破壞形式。

1.2 Pushover分析法的水平加載模式選擇

到目前為止，研究者們已經(jīng)提出了很多種不同的水平加載模式，根據(jù)其是否考慮了地震過程中層慣性力的重分布，可將其分為固定模式和自適應(yīng)模式。前者是指在整個水平加載的過程中，側(cè)向力的分布保持不變，因而不考慮地震過程中層慣性力的改變；后者則是指在整個水平加載過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力特性的改變而不斷調(diào)整側(cè)向力的分布。

（1）均布加載模式：施加的水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度分布并且與樓層質(zhì)量成正比的加載方式，屬于固定模式。適用于結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量沿高度分布較為均勻、薄弱層為底層的結(jié)構(gòu)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，為第層的水平荷載；為結(jié)構(gòu)底部的剪力；為結(jié)構(gòu)的總層數(shù)。

（2）倒三角分布水平加載模式：施加的水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度分布且與質(zhì)量及高度成正比（即底部剪力法模式）的加載方式，屬于固定模式。適用于高度不大于40 m，以剪切變形為主，質(zhì)量、剛度沿高度分布較為均勻，梁端出塑性鉸的結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，為結(jié)構(gòu)第層的重力荷載代表值；為結(jié)構(gòu)第層樓面距地面的高度。

（3）拋物線分布水平加載模式：施加的水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度呈拋物線分布的加載模式，屬于固定模式。它的優(yōu)點(diǎn)在于能較好地反映該結(jié)構(gòu)在地震作用下的高振型影響。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：，

式中，其中為結(jié)構(gòu)基本周期。

（4）隨振型而變的水平加載模式：基于結(jié)構(gòu)瞬時振型，施加的水平荷載的分布方式由振型分解反應(yīng)譜法平方與開平方（SRSS）決定，屬于自適應(yīng)模式。它能考慮地震過程中的結(jié)構(gòu)層慣性力分布的改變情況，因此比其他三種模式更為合理，但是其計(jì)算量相比于前三種模式也大為增加。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：，

式中，，；其中是由SRSS得出的第層的層間剪力，與分別為第振型第層的層間剪力和水平荷載，是上一步加載的振型參與系數(shù)，是考慮的振型數(shù)，是上一步加載的第振型周期所對應(yīng)的地震影響因數(shù)，是上一步加載的第振型第質(zhì)點(diǎn)的水平相對位移。

四種水平加載模式各有其適用范圍，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析時，可以根據(jù)工程的具體情況和要求來選擇適當(dāng)?shù)乃胶奢d加載模式。

1.3 Pushover分析法的一般步驟

選擇好適當(dāng)?shù)乃郊虞d模式后就可以開始分析：（1）建立結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的彈塑性分析模型，施加相應(yīng)的豎向荷載。（2）選擇一種合適的沿豎向分布形式的水平荷載施加于結(jié)構(gòu)側(cè)面，在結(jié)構(gòu)主要受力方向還要采用兩種以上不同分布方式的水平荷載逐一進(jìn)行分析。（3）當(dāng)施加的水平荷載使最薄弱的構(gòu)件達(dá)到屈服變形時，將已屈服的構(gòu)件進(jìn)行剛度修正，修正后結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受持續(xù)增加的水平荷載或位移。（4）重復(fù)以上步驟，達(dá)到屈服的構(gòu)件越來越多，記錄并計(jì)算每一步加載時所有構(gòu)件的彈性和彈塑性變形以及內(nèi)力。（5）將每一次記錄的構(gòu)件內(nèi)力和變形累加，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)力和變形結(jié)果。（6）結(jié)構(gòu)被破壞或位移超過限值是，停止施加水平荷載，并繪制結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

2.1 鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)前我國地震內(nèi)的多層和高層建筑多采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為主體受力結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑的高度和抗震設(shè)防烈度的不同分別采用了以下幾種形式：（1）框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)建筑擁有建筑平面空間布置靈活、可任意分隔房間等優(yōu)點(diǎn)，容易滿足使用者生產(chǎn)生活要求，從而被廣泛應(yīng)用于單層和多層民用建筑中。但是當(dāng)建筑超過一定高度時，由于地震和風(fēng)荷載作用，容易造成側(cè)向位移過大影響建筑的安全使用。（2）框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，由于在框架中的適當(dāng)位置設(shè)置了多道側(cè)向剛度很大的鋼筋混凝土墻，地震發(fā)生所產(chǎn)生的水平荷載大部分被抗震墻承擔(dān)，而側(cè)向剛度較小的框架只分?jǐn)偭艘恍〔糠炙郊袅亩ＷC了整個主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)匯集了兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑的設(shè)計(jì)中采用該結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)合理。（3）抗震墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)整體性好，應(yīng)對水平荷載的側(cè)向剛度大，在強(qiáng)度和變形方面都易滿足抗震要求。因此在分隔比較固定的高層建筑中多采用抗震墻結(jié)構(gòu)。（4）框架-筒體結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)，在超高層建筑設(shè)計(jì)中多采用這些結(jié)構(gòu)。endprint

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)地震作用后的構(gòu)件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節(jié)點(diǎn)處，包括梁、柱各端點(diǎn)處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護(hù)層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲?？偟膩碚f就是柱的震害比梁嚴(yán)重，而其中角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻一般抗側(cè)剛度大而抗剪強(qiáng)度較低，地震作用下容易產(chǎn)生斜裂縫進(jìn)而發(fā)展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現(xiàn)為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現(xiàn)象以及由于地基液化和不均勻沉降、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均、結(jié)構(gòu)之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

注意：（1）設(shè)計(jì)時應(yīng)使結(jié)構(gòu)自振周期避開場地特征周期，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象加深震害。（2）選擇合理的基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)有足夠的埋深，盡量設(shè)置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該盡量規(guī)則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的分布、質(zhì)量和剛度分布以及承載力分布等都應(yīng)該滿足規(guī)則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)合理設(shè)計(jì)，盡量避免防震縫的設(shè)計(jì)。但當(dāng)建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范合理布置防震縫。

2.3.4 結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

《抗震規(guī)范》根據(jù)房屋設(shè)防類別、建筑場地的地震烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，將結(jié)構(gòu)劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級。抗震設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)建筑的不同抗震等級，采用對應(yīng)的計(jì)算方法和構(gòu)造措施，使房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更加的經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進(jìn)行對應(yīng)有效的抗震設(shè)計(jì)就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，更多的先進(jìn)抗震技術(shù)將會應(yīng)用于建筑行業(yè)，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB50011—2010.

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[3] 李愛群，丁幼亮.工程結(jié)構(gòu)抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4] 包世華，張銅生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[5] 滕智明，朱金銓.混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)例[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)地震作用后的構(gòu)件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節(jié)點(diǎn)處，包括梁、柱各端點(diǎn)處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護(hù)層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲。總的來說就是柱的震害比梁嚴(yán)重，而其中角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻一般抗側(cè)剛度大而抗剪強(qiáng)度較低，地震作用下容易產(chǎn)生斜裂縫進(jìn)而發(fā)展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現(xiàn)為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現(xiàn)象以及由于地基液化和不均勻沉降、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均、結(jié)構(gòu)之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

注意：（1）設(shè)計(jì)時應(yīng)使結(jié)構(gòu)自振周期避開場地特征周期，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象加深震害。（2）選擇合理的基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)有足夠的埋深，盡量設(shè)置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該盡量規(guī)則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的分布、質(zhì)量和剛度分布以及承載力分布等都應(yīng)該滿足規(guī)則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)合理設(shè)計(jì)，盡量避免防震縫的設(shè)計(jì)。但當(dāng)建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范合理布置防震縫。

2.3.4 結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

《抗震規(guī)范》根據(jù)房屋設(shè)防類別、建筑場地的地震烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，將結(jié)構(gòu)劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級?？拐鹪O(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)建筑的不同抗震等級，采用對應(yīng)的計(jì)算方法和構(gòu)造措施，使房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更加的經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進(jìn)行對應(yīng)有效的抗震設(shè)計(jì)就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，更多的先進(jìn)抗震技術(shù)將會應(yīng)用于建筑行業(yè)，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻(xiàn)

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[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)例[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)地震作用后的構(gòu)件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節(jié)點(diǎn)處，包括梁、柱各端點(diǎn)處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護(hù)層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲?？偟膩碚f就是柱的震害比梁嚴(yán)重，而其中角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻一般抗側(cè)剛度大而抗剪強(qiáng)度較低，地震作用下容易產(chǎn)生斜裂縫進(jìn)而發(fā)展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現(xiàn)為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現(xiàn)象以及由于地基液化和不均勻沉降、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均、結(jié)構(gòu)之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

注意：（1）設(shè)計(jì)時應(yīng)使結(jié)構(gòu)自振周期避開場地特征周期，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象加深震害。（2）選擇合理的基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)有足夠的埋深，盡量設(shè)置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該盡量規(guī)則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的分布、質(zhì)量和剛度分布以及承載力分布等都應(yīng)該滿足規(guī)則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)合理設(shè)計(jì)，盡量避免防震縫的設(shè)計(jì)。但當(dāng)建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范合理布置防震縫。

2.3.4 結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

《抗震規(guī)范》根據(jù)房屋設(shè)防類別、建筑場地的地震烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，將結(jié)構(gòu)劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級?？拐鹪O(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)建筑的不同抗震等級，采用對應(yīng)的計(jì)算方法和構(gòu)造措施，使房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)更加的經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進(jìn)行對應(yīng)有效的抗震設(shè)計(jì)就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，更多的先進(jìn)抗震技術(shù)將會應(yīng)用于建筑行業(yè)，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻(xiàn)

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[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)例[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.endprint