鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究

徐鄒影

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法研究

徐鄒影

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生使得人們更加關(guān)注建筑的抗震設(shè)計(jì)。如果建筑物的抗震性不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本文分別對(duì)基于性能的、位移的以及能量的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析討論，并提出了一些設(shè)計(jì)時(shí)的具體控制要點(diǎn)。

地震災(zāi)害；鋼筋混凝土；抗震設(shè)計(jì)

本文對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法有很多種，設(shè)計(jì)師們主要基于性能、位移及能量進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，接下來從這三方面對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究及討論。[1]

一、基于性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)單一抗震設(shè)防目標(biāo)相比推廣了新的概念，也可以說它給了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)能夠進(jìn)行自主選擇的空間。對(duì)結(jié)構(gòu)的性能水平進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，位移、力、能量、損傷、速度和加速度等物理量可以比較明確的表述性能水平[2]。

在震后，為了使結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮其原有的功能，控制結(jié)構(gòu)的損傷就尤為重要，這是基于性能的抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)判指標(biāo)包括梁柱塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)量、樓層之間的位移及位移角等，所選取的評(píng)判指標(biāo)可準(zhǔn)確的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度，也能夠控制非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)要求對(duì)結(jié)構(gòu)破損的狀態(tài)進(jìn)行量化處理，本文采用需求能力比來量化結(jié)構(gòu)的性能水平，應(yīng)用如下表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算[3]:

D/C≤DI

式中D——變形需求量值；C——極限變形能力值;DI——最大可接受破損指標(biāo)。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)需要對(duì)塑性鉸區(qū)的破損程度進(jìn)行限定，塑性鉸區(qū)即為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力區(qū)域，如下表達(dá)式可體現(xiàn):

θplb/θuplb≤DI

θplc/θuplc≤DI

θplb，θuplb——梁塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求量及極限變形能力；

θplc，θuplc——柱塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)需求量及極限變形能力。

根據(jù)我國目前實(shí)行的抗震規(guī)范多水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，基于性能的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可參考現(xiàn)在實(shí)行的兩階段抗震設(shè)計(jì)，采取類似的做法，分兩部分進(jìn)行實(shí)施:

（1）根據(jù)地震多發(fā)地區(qū)所對(duì)應(yīng)的設(shè)防目標(biāo)來調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，這是為了滿足層間位移角限值，從而獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基底剪力，并以此為根據(jù)進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，由此實(shí)現(xiàn)第一步分的性能目標(biāo)。

（2）接下來實(shí)現(xiàn)第二部分的性能設(shè)計(jì)。首先確定在大型地震中建筑結(jié)構(gòu)的位移需求，驗(yàn)算層間彈塑性位移角θp。為使構(gòu)件的變形能力滿足其性能要求，需要對(duì)構(gòu)件變形能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以這個(gè)部分變形需求和性能目標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。如果結(jié)果不滿足第二部分預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)，則需對(duì)第一部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改與調(diào)整。

二、基于位移的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

在基于位移的抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者以結(jié)構(gòu)的變形及變形條件作為設(shè)計(jì)決策的前提，在這里用位移來表示結(jié)構(gòu)變形量。因?yàn)榛谖灰频脑O(shè)計(jì)方法能合理并且更加直接的在抗震設(shè)計(jì)中被應(yīng)用，近年來在抗震設(shè)計(jì)中提出了多種基于位移的設(shè)計(jì)方法[1]。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于位移的抗震設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面，首先根據(jù)目標(biāo)位移來確定結(jié)構(gòu)基底的剪力，來設(shè)計(jì)構(gòu)件截面的承載力；其次是以目標(biāo)的位移延性作為參考來確定構(gòu)件截面的曲率延性，進(jìn)而設(shè)計(jì)構(gòu)件截面的變形能力[2]。

在基于位移進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，最好選取層間位移角作為參數(shù)。首先層間位移角在結(jié)構(gòu)響應(yīng)的所有參數(shù)中是比較容易得到的，而且能與現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范很好的聯(lián)系起來，其次位移與結(jié)構(gòu)抗震性能間的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的層間高度的影響能夠通過層間位移角能很好地反映出來。此方法通過結(jié)構(gòu)等代來進(jìn)行求解，主要是將多自由度體系向單自由度轉(zhuǎn)換。步驟如下[13]：

（1）進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定建筑的柱網(wǎng)和層高及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，并算出質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量mi。多自由度體系中所有質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量都要計(jì)算。

（5）把多自由度體系與單自由度體系做等效處理，算出等效質(zhì)量Meff、等代結(jié)構(gòu)等效位移ueff、等效周期Teff、等效剛度Keff、等效粘滯阻尼ζeff。

（7）計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面內(nèi)力的設(shè)計(jì)值，把結(jié)構(gòu)的水平地震作用效應(yīng)和與其相對(duì)應(yīng)的重力荷載效應(yīng)組合起來。之后對(duì)構(gòu)件截面的承載力進(jìn)行計(jì)算。為保證建筑結(jié)構(gòu)的變形能力達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，需要采取一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。

（8）之后分析結(jié)構(gòu)的非線性靜力，并校核結(jié)構(gòu)的位移形狀，與預(yù)先假定位移形狀進(jìn)行對(duì)比，來判斷是否一致，如果兩者不一致，則對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度的分布進(jìn)行調(diào)整和修改，來達(dá)到預(yù)期效果。

（9）最后對(duì)構(gòu)件的變形能力及其強(qiáng)度需求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

三、基于能量的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

針對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)，Shen和Chou分別提出了不同的基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法，這兩種方法都可以在實(shí)際工程中運(yùn)用[4-7]。Shen提出了應(yīng)用彈塑性時(shí)程來分析小樣本量回歸的設(shè)計(jì)方法，得出關(guān)于能量輸入及能量分配的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，但是此方法假定EH沿高度線性分布，這并不符合實(shí)際情況，導(dǎo)致其沒有很高的實(shí)用性。Chou在確定輸入的能量譜時(shí)采用了地震能量傳播理論，然后再計(jì)算EH。雖然這是個(gè)創(chuàng)新的方法，前人從未應(yīng)用過位移譜與MPA結(jié)合這種方法來計(jì)算EH分布，但其局限性在與計(jì)算過程中應(yīng)用了大中小震分布插值的方法，這種方法使用的模型過于復(fù)雜，難以保證其計(jì)算精度，并且沒有考慮到MPA方法的適用條件。于此同時(shí)在性能驗(yàn)算中兩種方法均沒有考慮到變形指標(biāo)，也沒有關(guān)于構(gòu)件設(shè)計(jì)的具體方法。

然而程光煜根據(jù)上述已有的研究，在他們的基礎(chǔ)上還充分考慮了滯回耗能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)的變形，提出了一套基于能量的抗震設(shè)計(jì)的完整流程，給出了更加具體的構(gòu)件設(shè)計(jì)方法。程光煜的研究使基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法更加實(shí)用化[8]。

基于能量的抗震設(shè)計(jì)首先需要確定結(jié)構(gòu)的抗震承載力需求以及相應(yīng)的變形需求，之后還需確定總輸入能量EI和累積滯回耗能比EH／EI。

在取得總地震輸入能量EI和累積滯回耗能需求EH后，接下來要確定結(jié)構(gòu)中的耗能分布，即EH的分布，這是實(shí)現(xiàn)基于能量的抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。但是沒有經(jīng)過充分研究并合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的耗能分布會(huì)有很大差異，即使在結(jié)構(gòu)形式相同的情況下也是如此，這是由于影響結(jié)構(gòu)抗震性能的因素很多，很難做到有效控制[9]。

在受到強(qiáng)震作用時(shí)，基于能量的抗震設(shè)計(jì)需要落實(shí)到構(gòu)件的層次上，這樣建筑整體結(jié)構(gòu)的耗能分布才能達(dá)到預(yù)期的水平，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的耗能機(jī)制進(jìn)行控制性設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系決定了結(jié)構(gòu)損傷耗能機(jī)制的控制，在特定的結(jié)構(gòu)體系中，預(yù)期損傷耗能構(gòu)件通常是在屈服破壞后對(duì)整體結(jié)構(gòu)的豎向承載力影響比較小的構(gòu)件，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常是在屈服破壞后對(duì)整體結(jié)構(gòu)的豎向承載力影響比較大的構(gòu)件。在區(qū)分了結(jié)構(gòu)體系的主次結(jié)構(gòu)構(gòu)件之后，通過對(duì)能力比設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，再強(qiáng)震作用下使次結(jié)構(gòu)構(gòu)件先屈服，進(jìn)入彈塑性階段來耗散地震能量。在地震作用下，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍然可以基本保持彈性狀態(tài)，因此主結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍然能夠控制建筑整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性態(tài)及耗能損傷機(jī)制。在抗震設(shè)計(jì)中通常用以下兩種方法對(duì)主次結(jié)構(gòu)構(gòu)件能力比進(jìn)行調(diào)整:

（1）相應(yīng)提高主結(jié)構(gòu)構(gòu)件能力系數(shù)。重點(diǎn)是要提高主結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性變形的能力，來提高整體結(jié)構(gòu)的第二剛度，通常采用高強(qiáng)高性能結(jié)構(gòu)材料并需要合理的布置結(jié)構(gòu)。

（2）進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置來形成主次結(jié)構(gòu)，使建筑結(jié)構(gòu)受到地震的作用時(shí)，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件先屈服，從而把能量消耗掉，減少對(duì)主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響。因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)側(cè)移變形敏感程度進(jìn)行調(diào)整：將主結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置為不敏感形式，次結(jié)構(gòu)構(gòu)件則布置為敏感形式，使損傷耗能機(jī)制更加穩(wěn)定。

總結(jié)

做好建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)能夠很大程度上減少地震帶來的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此在本文的研究中以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)為主線，基于性能，位移和能量三方面對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)注意對(duì)結(jié)構(gòu)荷載能力的合理設(shè)定，從而保證建筑質(zhì)量的可靠性。

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TU375.4

A

1671－5993（2016）04－0041－03

2016-05-16

徐鄒影（1987-），女，安徽滁州人，滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系助教，碩士研究生。