基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

程昌明

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對建筑的要求逐漸提高，2008年我國四川汶川地震的發(fā)生促使將基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有推上了一個(gè)新的高度?；谶@種現(xiàn)實(shí)情況，本文以建筑在地震發(fā)生時(shí)損傷情況的界定為研究基點(diǎn)，分析了有關(guān)于地震損傷的性能目標(biāo)，并研究了基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，完善了建筑在抗震方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；地震損傷；損傷計(jì)算方法；設(shè)計(jì)方法

前言：目前的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本可以保證建筑在地震中屹立不倒，減少建筑因二次坍塌給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來的威脅，然而，很多建筑在地震災(zāi)害后在建筑結(jié)構(gòu)上卻存在很大程度的損傷，導(dǎo)致在災(zāi)后重建的過程中，絕大多數(shù)建筑都難以根據(jù)以前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，進(jìn)而失去其應(yīng)有的使用功能，帶來不必要的損失。

1、建筑在地震發(fā)生時(shí)損傷情況的界定

在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會在地殼相互擠壓的作用下發(fā)生變形或扭曲，為建筑帶來根本上的傷害，這種傷害是可以由等級進(jìn)行劃分的，大體上可以分為以下幾個(gè)等級：一級，建筑結(jié)構(gòu)基本完整，主要表現(xiàn)在建筑墻體或承重設(shè)施出現(xiàn)比較細(xì)小且不連貫的裂縫，對建筑的基本使用功能沒有太大的影響，只需要對建筑做局部的加固便可以恢復(fù)使用；二級，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微損壞，主要表現(xiàn)在建筑墻體或承重設(shè)施出現(xiàn)相對連貫的細(xì)小裂縫，有時(shí)會出現(xiàn)墻體脫落現(xiàn)象，這種情況同樣對建筑使用功能沒有嚴(yán)重影響，在修復(fù)上也比較容易；三級，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生中等破壞，主要表現(xiàn)在建筑墻體或承重設(shè)施出現(xiàn)連貫且巨大的裂縫，一些部位的混凝土破損，露出建筑內(nèi)部的鋼筋結(jié)構(gòu)，這種情況的建筑一般很難對其進(jìn)行修復(fù)；四級，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)在建筑墻體坍塌，承重設(shè)施出現(xiàn)塌陷或嚴(yán)重?fù)p害，這種情況下的建筑基本功能已經(jīng)喪失，無法對其進(jìn)行修復(fù)；五級，建筑基本倒塌，主要表現(xiàn)在建筑基本構(gòu)建完全喪失作用，建筑整體性倒塌，建筑內(nèi)部的主要構(gòu)件基本損毀，無法進(jìn)行修復(fù)[1]。

2、有關(guān)于地震損傷的性能目標(biāo)

現(xiàn)階段，我國對建筑抗震結(jié)構(gòu)的要求主要遵循“三水準(zhǔn)”的性能目標(biāo)，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)原則，具體的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩步，在建筑建造的過程中對小震情況下進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算、大震情況下進(jìn)行變形驗(yàn)算，然而理論上的檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不能完全符合實(shí)際地震中的情況，并且雖然中震可修的目標(biāo)構(gòu)造措施可以保證，但是大地震情況下的多次余震對建筑產(chǎn)生的疲勞性損傷卻不能夠保證建筑不發(fā)生倒塌事故，因此，想要使建筑完全符合抗震的設(shè)計(jì)要求與結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，使其更加具有靈活性與合理性，就需要現(xiàn)階段在我國建筑行業(yè)內(nèi)普遍得到認(rèn)可的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，此性能目標(biāo)的相關(guān)指數(shù)為一般的建筑結(jié)構(gòu)在在較小地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可以出現(xiàn)的損傷指數(shù)為0到0.25，中震發(fā)生時(shí)損傷指數(shù)為0.25到0.50，大震發(fā)生時(shí)損傷指數(shù)為0.50到0.90。

3、基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1地震損傷直接與變形驗(yàn)算法

現(xiàn)階段，我國在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑在地震災(zāi)害中發(fā)生損傷的性能方面，大體上可以分為地震直接損傷與變形兩種比較科學(xué)實(shí)用的驗(yàn)算方法[3]。在相關(guān)地震損傷性能目標(biāo)方面，我國在近年來提出了“三水準(zhǔn)”這一專業(yè)規(guī)定，該規(guī)定是根據(jù)我國客觀的社會與自然條件制定的，符合社會的發(fā)展需要，因此，根據(jù)這一文件，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)方法可以參照以下意見：其一，針對普通結(jié)構(gòu)的建筑可以根據(jù)《現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對相關(guān)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行直接與變形方面的驗(yàn)算；其二，針對特殊地震，可以根據(jù)地震薄弱層進(jìn)行相關(guān)的地震直接與變形損傷方面的驗(yàn)算。普遍意義上講，建筑在損傷計(jì)算時(shí)，其數(shù)值應(yīng)該不大于0.9，重要結(jié)構(gòu)建筑的地震損傷系數(shù)不大于0.5。以上提出的地震損傷系數(shù)是指建筑結(jié)構(gòu)在特殊地震發(fā)生時(shí)，所產(chǎn)生的薄弱層地震損傷值。

3.2 Pushover 分析

Pushover 分析方法的基本原理是基于兩個(gè)原則：第一個(gè)為假設(shè)原則，其主要內(nèi)容是通過假設(shè)的方式，將一個(gè)相對復(fù)雜的多元化體系進(jìn)行簡化，將其假設(shè)成為一個(gè)相對簡單的但模式體系，以方便進(jìn)行接下來的分析；第二個(gè)原則是可以用形狀向量來代替建筑結(jié)構(gòu)以建筑高度為標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的對應(yīng)變形，因?yàn)榻ㄖ冃问亲兓^強(qiáng)烈的參數(shù)，而形狀向量的變化幅度相對穩(wěn)定，對接下來的分析有利。

Pushover 分析法的分析過程可以有以下幾方面組成：首先是前期準(zhǔn)備工作，主要內(nèi)容是構(gòu)建起一個(gè)與將要施工的建筑在形狀、尺寸、參數(shù)、要件等方面相一致的建筑模型，用以進(jìn)行建筑的施工的前期科學(xué)分析；其次，根據(jù)計(jì)算公式求出地震效應(yīng)在結(jié)構(gòu)上作用的荷載，其符合主要分為兩個(gè)方面，即結(jié)構(gòu)的豎向荷載和水平荷載，并計(jì)算的出各個(gè)構(gòu)件的極限承載力；第三，求得結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力從而得出結(jié)構(gòu)的自振周期；另外，在實(shí)驗(yàn)過程中，在建筑模型中施加水平荷載，利用這種方式，將建筑模型的水平與垂直內(nèi)力進(jìn)行疊加處理，并確保疊加后的內(nèi)力能夠達(dá)到一個(gè)相對平衡的狀態(tài)；在此之后，對屈服的構(gòu)件，改變其狀態(tài)，并將屈服的構(gòu)件的兩端設(shè)成鉸接點(diǎn)，這樣就形成了一新結(jié)構(gòu)，也使用上述同樣的方法求出新結(jié)構(gòu)的自振周期，然后在建筑模型的相關(guān)要件上根據(jù)內(nèi)力的情況施加水平荷載，繁復(fù)與建筑內(nèi)部的內(nèi)力進(jìn)行疊加，直到實(shí)驗(yàn)出一個(gè)剛好平衡的狀態(tài)；最后，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，使建筑內(nèi)部的側(cè)向位移達(dá)到一個(gè)極限值。在實(shí)驗(yàn)過程中，準(zhǔn)確記錄每一次施加的荷載和自振周期，最終得到外力與結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系曲線。

結(jié)語：通過本文以上的分析研究，筆者主要探討了地震震害等級和建筑損傷指數(shù)，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)，隨之又研究了我國對建筑的相關(guān)規(guī)定和建筑標(biāo)準(zhǔn)，最后分析了目前我國最常用的基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以上的研究真實(shí)的反映了我國實(shí)際防地震混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)方法，并且在不同的地震情況中運(yùn)用不同的計(jì)算方法，保證了計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊偉，王彥凱，趙新宇，等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷性能設(shè)計(jì)及整體抗震能力分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]宋鵬彥，李永清，任東宇，等.結(jié)構(gòu)整體可靠度方法及RC框架非線性整體抗震可靠度分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.endprint