談鋼筋混凝土建筑如何實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)

吳 宗 羲

(邯鄲市第一中學(xué)，河北 邯鄲 056008)

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談鋼筋混凝土建筑如何實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)

吳 宗 羲

(邯鄲市第一中學(xué)，河北 邯鄲 056008)

介紹了我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防堅(jiān)持的基本原則，根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，從強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、抗震構(gòu)造等方面，闡述了鋼筋混凝土建筑的設(shè)計(jì)措施，旨在提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防，地震，結(jié)構(gòu)延性

地震是一種破壞力極強(qiáng)的自然災(zāi)害，重大地震會(huì)導(dǎo)致房倒屋塌、道路損壞、河道淤塞、堤壩潰決、人員死傷等一系列破壞。如何提高抗震能力，一直是各類建筑致力解決的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是建筑材料的更新，建筑物的抗震能力一直在不斷提高。為提高建筑物的抗震能力，世紀(jì)之交，我國(guó)的建筑逐漸淘汰了傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)而采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的主體，被大多數(shù)建筑所采用。對(duì)于這種建筑結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”這一抗震設(shè)防的目標(biāo)是個(gè)急需解決的問(wèn)題?，F(xiàn)結(jié)合自己學(xué)到的物理學(xué)理論、建筑知識(shí)，對(duì)此問(wèn)題略陳管見(jiàn)。

1)我國(guó)抗震設(shè)防堅(jiān)持的是“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本原則。在當(dāng)今社會(huì)，抗震設(shè)防工程既要保證基本的人物財(cái)產(chǎn)安全，也要視具體的國(guó)情和經(jīng)濟(jì)實(shí)力而定。我國(guó)抗震設(shè)防“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本原則很好的體現(xiàn)了這一點(diǎn)。大地震發(fā)生的頻率和概率都比較小，幾十年一遇甚至上百年一遇，而中小地震的破壞力則相對(duì)有限，如果在平時(shí)抗震設(shè)防工程合理到位，地震應(yīng)急機(jī)制和宣傳及時(shí)有效，中小地震所產(chǎn)生的損失可以大幅度降低。如果在抗震設(shè)防工程的設(shè)計(jì)中過(guò)于強(qiáng)調(diào)工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)中大地震帶來(lái)的災(zāi)害，就會(huì)投入大量的經(jīng)濟(jì)資源和人力物力，而這些投入在大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)都是一種閑置狀態(tài)，不能最大限度的發(fā)揮其功用，這樣做是不符合我國(guó)的國(guó)情的。

按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，地震有不同的分類。小震、中震和大震根據(jù)地震出現(xiàn)的概率和重現(xiàn)期劃分時(shí)，依據(jù)如下：按照出現(xiàn)概率的高低劃分，小震的頻率最高，50年出現(xiàn)的概率是63%；中震50年出現(xiàn)的概率是10%，而大地震在50年出現(xiàn)的概率僅為2%～3%；而重現(xiàn)期按照小震、中震、大震的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其年數(shù)分別為50年，475年，1641年～2475年。通過(guò)概率和重現(xiàn)期可以發(fā)現(xiàn)，大震是屬于非常罕見(jiàn)的地震，雖然破壞力大，但次數(shù)較低，所以抗震設(shè)防要立足于發(fā)生概率更高的小震。

對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，小震、中震和大震所產(chǎn)生的地震影響是不同的，其烈度也是逐漸增加的，對(duì)應(yīng)的破壞程度則是呈現(xiàn)越來(lái)越大的趨勢(shì)。小震是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為63%的烈度水平的地震影響；中震是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為10%的烈度水平的地震影響；大震是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為2%～3%的烈度水平的地震影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)期為50年時(shí)，小震烈度比中震烈度約小1.5度，大震烈度比中震烈度約大1度(當(dāng)基本烈度為9度時(shí)不到1度)[1]。

2)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本要求。我國(guó)GB 50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱“抗震規(guī)范”)給出了全國(guó)主要城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度。“小震不壞”并不是當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇到當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度的地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)“不壞”，而是指按當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度大概降低1.5度左右的地震作用效應(yīng)，即按“抗震規(guī)范”給定的當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基本地震加速度地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，驗(yàn)算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形，滿足“抗震規(guī)范”的要求。也即建筑結(jié)構(gòu)基本上處在彈性變形狀態(tài)，并未發(fā)生非彈性變形，不必采取其他特殊措施就可安全正常使用。

“中震可修”，指當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇比“小震”更大的地震即“中震”時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)的加速度大于當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基本地震加速度時(shí)，結(jié)構(gòu)將在一系列的控制部分進(jìn)入非彈性變形狀態(tài),結(jié)構(gòu)會(huì)有一個(gè)很大的非彈性變形。其外部表現(xiàn)很可能是一個(gè)構(gòu)件較大的裂縫,外部的墻體凸起或者脫落等,但這不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的安全效能。盡管結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)一定程度的破壞,但后期通過(guò)相應(yīng)的維修工程或修理手段可以保證建筑繼續(xù)使用。

“大震不倒”，是指當(dāng)大震發(fā)生時(shí)，即使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的是非常大的非彈性變形，造成的是無(wú)法彌補(bǔ)的傷害，但它不應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩潰，危及人們的生命安全[2]。

3)鋼筋混凝土建筑如何實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)本身相關(guān)特性，利用人為的影響措施，使結(jié)構(gòu)在外力(含地震力)產(chǎn)生作用的同時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的非線性變化(彎曲、脫落等)來(lái)降低破壞程度。在非線性變形過(guò)程中外力(含地震力)做功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軅鞯娇諝庵?，而使結(jié)構(gòu)仍然能維持其承載力。上述結(jié)構(gòu)的屬性，我們稱之為結(jié)構(gòu)延性。通過(guò)精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造，保證結(jié)構(gòu)的延性，就可增強(qiáng)鋼筋混凝土建筑物的抗震能力。實(shí)現(xiàn)“小震不壞”，比較簡(jiǎn)單，而實(shí)現(xiàn)“中震可修，大震不倒”則較難。實(shí)現(xiàn)“中震可修，大震不倒”的抗震目標(biāo)，主要是靠保證結(jié)構(gòu)延性來(lái)實(shí)現(xiàn)。借此，地震的外力作用會(huì)使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生非線性變形，進(jìn)入自身的保護(hù)狀態(tài)，通過(guò)塑性變形減少地震傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)上的能量，進(jìn)而降低地震對(duì)鋼筋混凝土建筑本身的破壞。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻尼也會(huì)增加地震能量的耗散，進(jìn)一步減少地震對(duì)建筑的作用。此外，進(jìn)入非彈性狀態(tài)后的鋼筋混凝土建筑，彈性剛度將會(huì)高于橫向剛度，相應(yīng)的也拉長(zhǎng)了自然振動(dòng)周期，從而減少了地震的外力作用。因此，結(jié)構(gòu)的延性對(duì)抗震設(shè)防工程發(fā)揮作用的成功與否是關(guān)鍵的，具有其他措施無(wú)法替代的作用。為了使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有抗震所必需的延性，可采取下面三種措施：

a.強(qiáng)柱弱梁。結(jié)構(gòu)的延性應(yīng)建立在一個(gè)可接受的塑性變形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，最小的非線性旋轉(zhuǎn)塑性鉸處決定了位移延性。因此，在選擇了合適的塑性變形結(jié)構(gòu)之后就可以確定能量耗散位置?！傲褐q結(jié)構(gòu)”作為我國(guó)通用的規(guī)范，簡(jiǎn)言之也就是我們通常所說(shuō)的“強(qiáng)柱弱梁”結(jié)構(gòu)。其實(shí)施的具體要求則是在一定程度上人為的增大柱的彎曲承載力，而不過(guò)多采取其他措施。這種結(jié)構(gòu)，從總體上來(lái)看，雖然比較強(qiáng)的是柱端，但在強(qiáng)烈地震作用下，柱端仍然有可能會(huì)進(jìn)入屈服狀態(tài)，只不過(guò)梁端有更多的機(jī)會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，也會(huì)出現(xiàn)較早、較大的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)；相對(duì)梁端來(lái)說(shuō)，柱端出現(xiàn)塑性鉸較晚，塑性轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍也相對(duì)較小。我們通常的做法是，組合柱截面彎矩乘以增大系數(shù)；也可以通過(guò)實(shí)際加固梁端推算出梁端可以抵抗的彎矩。此外，要更加嚴(yán)格的控制柱的軸壓比，然后通過(guò)強(qiáng)化塑性鉸的約束區(qū)域末端，就可以使柱端具有所需要的、適當(dāng)?shù)乃苄赞D(zhuǎn)動(dòng)能力且不至于崩潰。

b.強(qiáng)剪弱彎。剪切破壞基本上沒(méi)有延性,剪切破壞會(huì)使發(fā)生該破壞的部位徹底失去結(jié)構(gòu)抗震能力,柱的剪切破壞也會(huì)導(dǎo)致局部或整體結(jié)構(gòu)的崩潰。這就需要增加各種構(gòu)件的抗剪能力,使其避免結(jié)構(gòu)延性在未發(fā)揮作用之前出現(xiàn)非延性的剪切破壞，從而能夠應(yīng)對(duì)強(qiáng)烈的地震作用來(lái)發(fā)揮延性作用。這就是我們常說(shuō)的“強(qiáng)剪弱彎”。通常的做法是使用剪力增大系數(shù)增大各個(gè)部位的組合剪力值，并利用增大后的剪力值對(duì)相關(guān)截面進(jìn)行驗(yàn)算和設(shè)計(jì)。具體措施包括兩種類型:一種是直接在橫梁兩端的順時(shí)針或逆時(shí)針力矩乘以增大系數(shù)的值,然后與梁的垂直重力荷載代表值一起從平衡中計(jì)算梁端剪力。另一種是沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较虻臋M梁部分的彎矩，乘以增大的系數(shù),然后垂直重力作用在梁上,在相互平衡中計(jì)算梁端剪力。

c.加強(qiáng)抗震構(gòu)造。鋼筋混凝土建筑中出現(xiàn)塑性鉸的部位在面對(duì)大震時(shí)會(huì)失去降低地震作用的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力。而要避免這一情況，就需要加強(qiáng)抗震構(gòu)造，一般來(lái)說(shuō)采用的方法是限制柱的軸壓比和箍筋加密。強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎以及加強(qiáng)抗震結(jié)構(gòu)，是相互關(guān)聯(lián)、密不可分的三項(xiàng)措施。主要表現(xiàn)為：只有保證“強(qiáng)剪弱彎”才能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”，因?yàn)橹挥兴苄糟q區(qū)不發(fā)生早期的剪切破壞，梁柱塑性鉸區(qū)才會(huì)具有塑性轉(zhuǎn)動(dòng)的前提條件。如果“強(qiáng)柱弱梁”作為抗震設(shè)防工程的首要措施要求嚴(yán)格，那么“加強(qiáng)地震構(gòu)造”作為后續(xù)措施就可以要求相對(duì)寬松；如果在實(shí)施“強(qiáng)柱弱梁”措施時(shí)要求就比較寬松，那么對(duì)后續(xù)措施中加強(qiáng)抗震結(jié)構(gòu)的要求就需要十分嚴(yán)格。原因就在于梁鉸結(jié)構(gòu)和梁柱鉸結(jié)構(gòu)中，柱彎矩增大系數(shù)同軸壓比和箍筋是呈現(xiàn)一個(gè)相互約束的機(jī)制，即二者是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)柱彎矩增大系數(shù)增大時(shí)，會(huì)降低對(duì)軸壓比和箍筋的約束，反之，則提高了對(duì)軸壓比和配箍的要求[3]。

簡(jiǎn)而言之,對(duì)鋼筋混凝土建筑,只要抗震設(shè)計(jì)能夠?qū)?yīng)相應(yīng)地震烈度、地震加速度和其他荷載效應(yīng)的基本組合, 檢查結(jié)構(gòu)組件結(jié)構(gòu)的承載力和彈性變形部分,滿足相應(yīng)的規(guī)范要求,就可以實(shí)現(xiàn)“小震不壞”。要實(shí)現(xiàn)“中震可修”“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，關(guān)鍵就在于要保證結(jié)構(gòu)延性。通過(guò)人為措施，把結(jié)構(gòu)控制為“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”，并采取如增加箍筋密度、約束柱的軸壓比之類抗震構(gòu)造措施，使結(jié)構(gòu)遭遇“中震”后可以修復(fù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)遭遇“大震”作用，就需要計(jì)算它的彈塑性變形來(lái)滿足“抗震規(guī)范”要求，實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)[4]。

[1] 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院.怎樣理解小震、中震、大震？[EB/OL].http://222.66.109.20/jpkc/lgq/bbs/ShowPost.asp ThreadID=2033.[2006-06-01].

[2] 李琥珀.小震不壞,中震可修,大震不倒[EB/OL].新浪網(wǎng).http://news.sina.com.cn/c/2006-07-10/09099417157s.shtml.[2006-07-10].

[3] 劉祖強(qiáng).型鋼混凝土異形柱框架抗震性能及設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[4] 孫治國(guó).鋼筋混凝土橋墩抗震變形能力研究[D].哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2004.

Discussion on reinforced concrete building how to realize the seismic fortification goal

Wu Zongxi

(HandanNo.1MiddleSchool,Handan056008,China)

This paper introduced the basic principle of our building structure seismic fortification, according to the structure design requirements of “minor earthquake, repairable under moderate earthquake, structure design for the earthquake does not fall”, from the strong column and weak beam, strong shear weak bending, seismic structure and other aspects, elaborated the design measures of reinforced concrete building, in order to improve the seismic performance of building structures.

reinforced concrete structure, seismic fortification, earthquake, structural ductility

1009-6825(2016)28-0061-03

2016-07-24

吳宗羲(1999- )，男，在讀學(xué)生

TU352

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