鋼筋混凝土結構的抗震設計
發(fā)布時間：2010-01-14 共1頁
一、抗震設計思路發(fā)展歷程
隨著建筑結構抗震相關理論研究的不斷發(fā)展，結構抗震設計思路也經(jīng)歷了一系列的變化。
最初，在未考慮結構彈性動力特征，也無詳細的地震作用記錄統(tǒng)計資料的條件下，經(jīng)驗性的取一個地震水平作用（0.1倍自重）用于結構設計。到了60年代，隨著地面運動記錄的不斷豐富，人們通過單自由度體系的彈性反應譜，第一次從宏觀上看到地震對彈性結構引起的反應隨結構周期和阻尼比變化的總體趨勢，揭示了結構在地震地面運動的隨機激勵下的強迫振動動力特征。但同時也發(fā)現(xiàn)一個無法解釋的矛盾，當時規(guī)范所取的設計用地面運動加速度明顯小于按彈性反應譜得出的作用于結構上的地面運動加速度，這些結構多數(shù)卻并未出現(xiàn)嚴重損壞和倒塌。后來隨著對結構非線性性能的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)設計結構時取的地震作用只是賦予結構一個基本屈服承載力，當發(fā)生更地震時，結構將在一系列控制部位進入屈服后非彈性變形狀態(tài)，并靠其屈服后的非彈性變形能力來經(jīng)受地震作用。由此，也逐漸形成了使結構在一定水平的地震作用下進入屈服，并達到足夠的屈服后非彈性變形狀態(tài)來耗散能量的現(xiàn)代抗震設計理論。
由以上可以看出，結構抗震設計思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗到基于非線性理論，從單純保證結構承載能力的“抗”到允許結構屈服，并賦予結構一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉變。
二、現(xiàn)代抗震設計思路
在當前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設計思路，其主要內(nèi)容是：
1.合理選擇確定結構屈服水準的地震作用。一般先以一具有統(tǒng)計意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強弱標志值，再以不同的R（地震力降低系數(shù)）得到不同的設計用地面運動加速度來進行結構的強度設計，從而確定了結構的屈服水準。
2.制定有效的抗震措施使結構確實具備設計時采用的R所對應的延性能力。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施（強柱弱梁、強剪弱彎）和抗震構造措施。
設計時，對在同一烈度區(qū)的同一類結構，可以根據(jù)情況取用不同的R，也就是不同的用于強度設計的地震作用。當R取值較，即用于設計的地震作用較小時，對結構的延性要求就越嚴；反之，當R取值較小，即用于設計的地震作用較時，對結構的延性要求就可放松。
三、保證結構延性能力的抗震措施
合理選擇了結構的屈服水準和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結構確實具有所需的延性能力，從而保證結構在中震、震下實現(xiàn)抗震設防目標。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個方面內(nèi)容：
1.“強柱弱梁”：人為增柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達到最非線性位移時塑性轉動較；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達到最非線性位移時塑性轉動較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩(wěn)定的塑性耗能機構和較的塑性耗能能力。
2.“強剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結構抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導致結構的局部或整體倒塌。因此可以人為增柱端、梁端、節(jié)點的組合剪力值，使結構能在震下的交替非彈性變形中其任何構件都不會先發(fā)生剪切破壞。
3.抗震構造措施：通過抗震構造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時保證結構的整體性。
延性對抗震來說是極其重要的一個性質，我們要想通過抗震措施來保證結構的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對于梁柱等構件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應變，破壞時的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實質都是這兩個根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越，混凝土受壓區(qū)高度就越，延性越差；受壓鋼筋越多，混凝土受壓區(qū)高度越小，延性越好；混凝土強度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好（但如果混凝土強度過高可能會減小混凝土極限壓應變從而降低延性）；對柱子這類偏壓構件，軸壓力的存在會增混凝土受壓區(qū)高度，減小延性；箍筋可以提高混凝土極限壓應變，從而提高延性，但對于高強度混凝土，受壓時，其橫向變形系數(shù)較一般混凝土明顯偏小，箍筋的約束作用不能充分發(fā)揮，所以對于高強度混凝土，不適于用加箍筋的方法來改善其延性。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，避免其發(fā)生局部壓屈失穩(wěn)，提高構件抗剪能力的作用，因此箍筋對提高結構抗震性能具有相當重要的作用。根據(jù)以上規(guī)律，在抗震設計中為保證結構的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對柱子限制軸壓比等。
四、結語
我國在學習借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎上，逐漸形成了自己的一套較為先進的抗震設計思路。其中部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設計理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要我們今后加以完善。
其中，最值得我們注意的是，與國外規(guī)范相比，我國抗震規(guī)范還存在一定的差距。目前我國將地震作用降低系數(shù)統(tǒng)一取為2.86，而且還把用于結構截面承載能力設計和變形驗算的小震賦予一個固定的統(tǒng)計意義。對延性要求按抗震等級來劃分，抗震等級實質又主要是由烈度分區(qū)來決定的。這種思路造成低烈度區(qū)的結構延性要求可能偏低的結果。
另外，我國規(guī)定的“小震不壞，中震可修，震不倒”的三水準抗震設防目標也存在一定的問題。該設防目標對甲類、乙類、丙類這三類重要性不同的建筑來說，并不都是恰當?shù)?。這種籠統(tǒng)的設防目標也不符合當今國際上的“多層次，多水準性態(tài)控制目標”思想，這種多性態(tài)目標思想提倡在建筑抗震設計中應靈活采用多重性態(tài)目標。甲類建筑指重建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重此生災害的建筑，乙類建筑指地震時使用不能中斷或需要盡快修復的建筑，由于不同類別建筑的不同重要性，不宜再籠統(tǒng)的使用以上同一個性態(tài)目標（設防目標），此外，還應該考慮建筑所有者的不同要求，選擇不同的設防目標，從而做到在性態(tài)目標的選擇上更加靈活。
隨著建筑結構抗震相關理論研究的不斷發(fā)展，結構抗震設計思路也經(jīng)歷了一系列的變化。
最初，在未考慮結構彈性動力特征，也無詳細的地震作用記錄統(tǒng)計資料的條件下，經(jīng)驗性的取一個地震水平作用（0.1倍自重）用于結構設計。到了60年代，隨著地面運動記錄的不斷豐富，人們通過單自由度體系的彈性反應譜，第一次從宏觀上看到地震對彈性結構引起的反應隨結構周期和阻尼比變化的總體趨勢，揭示了結構在地震地面運動的隨機激勵下的強迫振動動力特征。但同時也發(fā)現(xiàn)一個無法解釋的矛盾，當時規(guī)范所取的設計用地面運動加速度明顯小于按彈性反應譜得出的作用于結構上的地面運動加速度，這些結構多數(shù)卻并未出現(xiàn)嚴重損壞和倒塌。后來隨著對結構非線性性能的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)設計結構時取的地震作用只是賦予結構一個基本屈服承載力，當發(fā)生更地震時，結構將在一系列控制部位進入屈服后非彈性變形狀態(tài)，并靠其屈服后的非彈性變形能力來經(jīng)受地震作用。由此，也逐漸形成了使結構在一定水平的地震作用下進入屈服，并達到足夠的屈服后非彈性變形狀態(tài)來耗散能量的現(xiàn)代抗震設計理論。
由以上可以看出，結構抗震設計思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗到基于非線性理論，從單純保證結構承載能力的“抗”到允許結構屈服，并賦予結構一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉變。
二、現(xiàn)代抗震設計思路
在當前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設計思路，其主要內(nèi)容是：
1.合理選擇確定結構屈服水準的地震作用。一般先以一具有統(tǒng)計意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強弱標志值，再以不同的R（地震力降低系數(shù)）得到不同的設計用地面運動加速度來進行結構的強度設計，從而確定了結構的屈服水準。
2.制定有效的抗震措施使結構確實具備設計時采用的R所對應的延性能力。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施（強柱弱梁、強剪弱彎）和抗震構造措施。
設計時，對在同一烈度區(qū)的同一類結構，可以根據(jù)情況取用不同的R，也就是不同的用于強度設計的地震作用。當R取值較，即用于設計的地震作用較小時，對結構的延性要求就越嚴；反之，當R取值較小，即用于設計的地震作用較時，對結構的延性要求就可放松。
三、保證結構延性能力的抗震措施
合理選擇了結構的屈服水準和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結構確實具有所需的延性能力，從而保證結構在中震、震下實現(xiàn)抗震設防目標。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個方面內(nèi)容：
1.“強柱弱梁”：人為增柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達到最非線性位移時塑性轉動較；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達到最非線性位移時塑性轉動較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩(wěn)定的塑性耗能機構和較的塑性耗能能力。
2.“強剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結構抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導致結構的局部或整體倒塌。因此可以人為增柱端、梁端、節(jié)點的組合剪力值，使結構能在震下的交替非彈性變形中其任何構件都不會先發(fā)生剪切破壞。
3.抗震構造措施：通過抗震構造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時保證結構的整體性。
延性對抗震來說是極其重要的一個性質，我們要想通過抗震措施來保證結構的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對于梁柱等構件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應變，破壞時的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實質都是這兩個根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越，混凝土受壓區(qū)高度就越，延性越差；受壓鋼筋越多，混凝土受壓區(qū)高度越小，延性越好；混凝土強度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好（但如果混凝土強度過高可能會減小混凝土極限壓應變從而降低延性）；對柱子這類偏壓構件，軸壓力的存在會增混凝土受壓區(qū)高度，減小延性；箍筋可以提高混凝土極限壓應變，從而提高延性，但對于高強度混凝土，受壓時，其橫向變形系數(shù)較一般混凝土明顯偏小，箍筋的約束作用不能充分發(fā)揮，所以對于高強度混凝土，不適于用加箍筋的方法來改善其延性。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，避免其發(fā)生局部壓屈失穩(wěn)，提高構件抗剪能力的作用，因此箍筋對提高結構抗震性能具有相當重要的作用。根據(jù)以上規(guī)律，在抗震設計中為保證結構的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對柱子限制軸壓比等。
四、結語
我國在學習借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎上，逐漸形成了自己的一套較為先進的抗震設計思路。其中部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設計理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要我們今后加以完善。
其中，最值得我們注意的是，與國外規(guī)范相比，我國抗震規(guī)范還存在一定的差距。目前我國將地震作用降低系數(shù)統(tǒng)一取為2.86，而且還把用于結構截面承載能力設計和變形驗算的小震賦予一個固定的統(tǒng)計意義。對延性要求按抗震等級來劃分，抗震等級實質又主要是由烈度分區(qū)來決定的。這種思路造成低烈度區(qū)的結構延性要求可能偏低的結果。
另外，我國規(guī)定的“小震不壞，中震可修，震不倒”的三水準抗震設防目標也存在一定的問題。該設防目標對甲類、乙類、丙類這三類重要性不同的建筑來說，并不都是恰當?shù)?。這種籠統(tǒng)的設防目標也不符合當今國際上的“多層次，多水準性態(tài)控制目標”思想，這種多性態(tài)目標思想提倡在建筑抗震設計中應靈活采用多重性態(tài)目標。甲類建筑指重建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重此生災害的建筑，乙類建筑指地震時使用不能中斷或需要盡快修復的建筑，由于不同類別建筑的不同重要性，不宜再籠統(tǒng)的使用以上同一個性態(tài)目標（設防目標），此外，還應該考慮建筑所有者的不同要求，選擇不同的設防目標，從而做到在性態(tài)目標的選擇上更加靈活。
