[分享]对钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路

穆子

对钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路


一. 抗震设计思路发展历程


随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。


最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1倍自重）用于结构设计。到了60年代，随着地面运动记录的不断丰富，人们通过单自由度体系的弹性反应谱，第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势，揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾，当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度，这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究，人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此，也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服，并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。


由以上可以看出，结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。





二. 现代抗震设计思路及 ormulas> eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0">> eqn="sum @0 1 0">>le="">关系


在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：


1.合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（即中震的le=""> ），再以不同的R（地震力降低系数）得到不同的设计用地面运动加速度（即小震的le=""> ）来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。


2.制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施（强柱弱梁、强剪弱弯）和抗震构造措施。


现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心是le=""> 关系，le=""> 关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数；而 为最大非弹性反应位移 与屈服位移 之比， 称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。


60年代开始，研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下，通过对不同周期，不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析，得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律：对T大于1.0秒的体系适用 “等位移法则”即非弹性反应下的最大位移总等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0.12－0.5秒之间的结构，适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时，随着R的增大，位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出，如果以结构弹性反应为准，把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低，即R越大，则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大，位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。 规律初步揭示出不同弹性周期的结构，当其弹塑性屈服水准取值大小不同时，在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。


之所以存在上诉的 规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。


随着对 规律认识的深入，这一规律已被各国规范所接受。在抗震设计时，对在同一烈度区的同一类结构，可以根据情况取用不同的R，也就是不同的用于强度设计的地震作用。当R取值较大，即用于设计的地震作用较小时，对结构的延性要求就越严；反之，当R取值较小，即用于设计的地震作用较大时，对结构的延性要求就可放松。


目前，国际上逐步形成了一套“多层次，多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为：工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态，非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为：损伤出现（damage onset）、正常运作（operational）、能继续居住（countinued occupancy）、可修复的（repairable）、生命安全（life safe）、倒塌（collapse）。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标，比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标――基本目标（常遇地震下完全正常运作，少遇地震下正常运作，罕遇地震下保证生命安全，极罕遇地震下接近倒塌）、必要目标（少于地震下完全正常运作，罕遇地震下正常运作，极罕遇地震下保证生命安全）、对安全其控制作用的目标（罕遇地震下完全正常运作，极罕遇地震下正常运作）。对重要性不同的建筑，如协助进行灾害恢复行动的医院等建筑，应该按较高的性态目标设计，此外，也可以针对甲方对建筑提出的不同抗震要求，选择不同的性态目标。





三. 保证结构延性能力的抗震措施


合理选择了结构的屈服水准和延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：


1.“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。


2.“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。


3.抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。


这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先，这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。


新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计；对底层柱底截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下的较大塑性变形中，梁端塑性铰形成的较为普遍，底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰，而其余所有的柱截面不出现塑性铰，最终形成“理想梁铰机构”。为此，这种方法就必须取足够大的柱端弯矩增强系数。


美国抗震界则认为新西兰取的柱弯矩增强系数过大，根据经验取了较小的柱弯矩增强系数，这一做法使结构在大震引起的非弹性变形过程中，梁端塑性铰形成较早，柱端塑性铰形成的相对较迟，梁端塑性