結(jié)構(gòu)超強的研究進展

李何瀟 王猛

摘要：介紹了結(jié)構(gòu)超強的概念及影響因素，從不同結(jié)構(gòu)類型的角度梳理了國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)超強的研究成果，并對今后應(yīng)關(guān)注的問題進行了簡要說明。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)超強;鋼結(jié)構(gòu);鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

2008年汶川地震中出現(xiàn)的一個現(xiàn)象引起了研究者的關(guān)注：在已超過當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度的地區(qū)中，多數(shù)按照規(guī)范設(shè)計且保證施工質(zhì)量的建筑均未發(fā)生倒塌，說明建筑的抗震能力比設(shè)計能力更強，也即所謂的結(jié)構(gòu)超強。結(jié)構(gòu)超強現(xiàn)象的存在，雖然可以增加房屋在大震下的抗倒塌能力，但若對結(jié)構(gòu)超強的具體程度沒有具體的掌握，不明確結(jié)構(gòu)中存在超強的部位或構(gòu)件，則在某些情況下可能會對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響，這些問題應(yīng)引起相關(guān)研究者的注意并做進一步研究。

1結(jié)構(gòu)超強的概念及影響因素

1.1結(jié)構(gòu)超強的概念

實際工程中的建筑結(jié)構(gòu)均具有較高的超靜定次數(shù)，且基于規(guī)范設(shè)計時考慮了可靠度、荷載組合、抗震措施等因素，同時設(shè)計人員在設(shè)計中通常存在人為放大的現(xiàn)象，以上因素都會使建筑結(jié)構(gòu)的實際抗震能力大于其設(shè)計能力，稱為結(jié)構(gòu)體系超強，通常用“結(jié)構(gòu)超強系數(shù)”來進行度量，其具體含義為結(jié)構(gòu)的實際抗震能力與其設(shè)計地震力的比值。

1.2結(jié)構(gòu)超強的影響因素

從已有的研究成果來看，影響結(jié)構(gòu)超強的因素較多，現(xiàn)梳理如下：（1）實際結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，構(gòu)件是逐個屈服的;（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計基于可靠度理論，且考慮了荷載的不利組合及正常使用狀態(tài)的要求;（3）規(guī)范中考慮了“強柱弱梁”等能力調(diào)整措施，人為增大了部分構(gòu)件的承載力;（4）最小尺寸、最小配筋率等規(guī)定控制了部分構(gòu)件的設(shè)計;（5）結(jié)構(gòu)材料在實際地震中發(fā)揮出來的強度是標(biāo)準(zhǔn)值或平均值，比設(shè)計中采用的設(shè)計值大;（6）設(shè)計中未考慮或未充分考慮填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際參與受力;（7）設(shè)計中存在的人為放大配筋及截面尺寸的情況。

2不同結(jié)構(gòu)的研究成果

2.1鋼結(jié)構(gòu)

Bertero和Uang及Whittaker和Bertero[1]分別對一鋼結(jié)構(gòu)進行了試驗研究，研究表明這兩個鋼結(jié)構(gòu)均存在超強，且超強系數(shù)分別為2.43和2.85。Assaf[2]針對層數(shù)和跨度，分別設(shè)計了4～12層、1～5跨共9榀鋼框架，基于材料的名義強度對上述鋼框架進行了Pushover分析，研究結(jié)果表明，上述鋼結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)受跨數(shù)的影響不明顯，但隨層數(shù)增加逐步變小。Freeman設(shè)計了處于不同設(shè)防分區(qū)的3個鋼框架結(jié)構(gòu)，以研究設(shè)防分區(qū)對鋼框架結(jié)構(gòu)超強的影響，結(jié)果顯示上述3個鋼框架結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)分別為3.3、3.6及1.9。Uang和Maarouf[1]對一經(jīng)歷了Loma Prieta地震的鋼框架進行了研究，研究顯示該結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)達(dá)到4.0。Humar和Ragozar[3]針對超靜定次數(shù)對結(jié)構(gòu)超強的影響展開了研究，該研究設(shè)計了2-30層的多個算例，通過改變層數(shù)體現(xiàn)超靜定次數(shù)的影響，研究表明：當(dāng)層數(shù)小于7時，超強系數(shù)隨層數(shù)增多而增大;當(dāng)層數(shù)大于7時，超強系數(shù)隨層數(shù)增多而減小。

2.2鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

Uang和Maarouf[1]對一經(jīng)歷了Loma Prieta地震的6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了評估，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)為1.9。Shinozuka和Hwang對一按UBC規(guī)范設(shè)計的4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了研究，研究表明該結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)為2.2。Mitchell和Paultre[4]采用Pushover方法對2個按照NBCC1990設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)進行了研究，該結(jié)構(gòu)為6層辦公樓，其中一個采取能力調(diào)整措施。研究表明：采用能力調(diào)整措施的結(jié)構(gòu)超強系數(shù)更大，上述兩個結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)分別為4.6和2.14。Jain和Navin[5]從設(shè)防分區(qū)、平面框架位置和層數(shù)三方面對位于印度的平面框架進行了研究，算例設(shè)計考慮了不同的設(shè)防分區(qū)，不同的層數(shù)和中間榀及邊榀框架。結(jié)果顯示：設(shè)防分區(qū)對超強系數(shù)的影響最大，處于低設(shè)防分區(qū)的結(jié)構(gòu)存在更大的超強;底層結(jié)構(gòu)比高層結(jié)構(gòu)的超強系數(shù)大;中間榀框架比邊榀框架的超強系數(shù)大。李剛強[6]對按我國規(guī)范設(shè)計的5榀鋼筋混凝土平面框架進行了研究，該5榀框架除了設(shè)防烈度不同外，其余條件均相同。結(jié)果顯示：該5榀框架存在不同程度的超強;處于低設(shè)防烈度區(qū)的框架的超強系數(shù)比高設(shè)防烈度區(qū)的更大;超強系數(shù)隨所采取抗震措施嚴(yán)格程度的增加而增大。劉蘭花[7]從層數(shù)和跨數(shù)兩方面對鋼筋混凝土平面框架的超強問題進行了探究。研究表明：單層單跨結(jié)構(gòu)由于受重力荷載控制，超強系數(shù)最大;超強系數(shù)隨層數(shù)增加而變化的幅度并不明顯;跨數(shù)對超強系數(shù)的影響不大。翟長海[8]分別采用Pushover和增量動力分析方法對鋼筋混凝土框架的超強進行了研究。結(jié)果表明：相較于增量動力分析方法，Pushover方法在層數(shù)較多時已不再適用;按照我國規(guī)范設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)存在超強，且可認(rèn)為其超強系數(shù)為2。王樹和[9]主要考察了鋼筋歸并系數(shù)對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)超強系數(shù)的影響，結(jié)果顯示：在層數(shù)較少時，鋼筋歸并系數(shù)對超強的影響更為明顯;超強系數(shù)隨鋼筋歸并系數(shù)的增大而增大。崔雙雙[10]在研究中考慮了填充墻和現(xiàn)澆板的作用，對所設(shè)計的15個算例進行了Pushover分析，結(jié)果表明：考慮填充墻和現(xiàn)澆板的作用后，結(jié)構(gòu)的超強幅度會有提高。

3結(jié)語

本文對結(jié)構(gòu)超強的概念及影響因素進行了簡要介紹，并梳理了國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)超強問題的研究現(xiàn)狀。研究結(jié)果表明，按照不同國家規(guī)范設(shè)計的不同的結(jié)構(gòu)，均存在超強現(xiàn)象。值得注意的是，超強有時也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，如框架結(jié)構(gòu)中梁的彎曲超強可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)柱鉸機構(gòu)，也有可能導(dǎo)致梁的剪切破壞先于彎曲破壞出現(xiàn);構(gòu)件超強可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)規(guī)范所引導(dǎo)的破壞模式;鋼筋強度超強會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的粘結(jié)退化等，這一系列問題還有待于進一步研究。

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