對鋼筋混凝土建筑結構抗震思路

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　　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，這些結構大多數卻并未出現嚴重損壞和倒塌。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)生更大地震時，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)來耗散能量的現代抗震設計理論。

　　由以上可以看出，結構抗震設計思路經歷了從彈性到非線性，從基于經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、現代抗震設計思路及關系

　　在當前抗震理論下形成的現代抗震設計思路，其主要內容是：

　　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（即中震的），再以不同的r（地震力降低系數）得到不同的設計用地面運動加速度（即小震的）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。其中主要包括內力調整措施（強柱弱梁、強剪弱彎）和抗震構造措施。

　　現代抗震設計理念是基于對結構非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是關系，關系主要指在不同滯回規(guī)律和地面運動特征下，結構的屈服水準與自振周期以及最大非彈性動力反應間的關系。其中r為彈塑性反應地震力降低系數，簡稱地震力降低系數；而為最大非彈性反應位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數；t則為按彈性剛度求得的結構自振周期。

　　60年代開始，研究者在滯回曲線為理想彈塑性及彈性剛度始終不變的前提下，通過對不同周期，不同屈服水準的非彈性單自由度體系做動力分析，得到了有關彈塑性反應下最大位移的規(guī)律：對t大于1.0秒的體系適用“等位移法則”即非彈性反應下的最大位移總等于同一地面運動輸入下的彈性反應最大位移。對于t在0.12－0.5秒之間的結構，適用“等能量法則”即非彈性反應下的彈塑性變形能等于同一地震地面運動輸入下的彈性變形能。當“等能量原則”適用時，隨著r的增大，位移延性需求的增長速度比“等位移原則”下按與r相同的比例增長更快。由以上規(guī)律我們可以看出，如果以結構彈性反應為準，把結構用來做承載能力設計的地震作用取的越低，即r越大，則結構在與彈性反應時相同的地震作用下達到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。這意味著結構必須具有更高的塑性變形能力。規(guī)律初步揭示出不同彈性周期的結構，當其彈塑性屈服水準取值大小不同時，在同一地面運動輸入下屈服水準與所達到的最大非彈性位移之間的關系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準不高的結構在較大地震引起的非彈性動力反應中不致發(fā)生嚴重損壞和倒塌的主要原因。讓人們認識到延性在抗震設計中的重要性。

　　之所以存在上訴的規(guī)律，我們應該注意到鋼筋混凝土結構的一些相關特性。首先，通過人為措施可以使結構具有一定的延性，即結構在外部作用下，可以發(fā)生足夠的非線性變形，而又維持承載力的屬性。這樣就可以保證結構在進入較大非線性變形時，不會出現因強度急劇下降而導致的嚴重破壞和倒塌，從而使結構在非線性變形狀態(tài)下耗能成為可能。其次，作為非線彈性材料的鋼筋混凝土結構，在一定的外力作用下，結構將從彈性進入非彈性狀態(tài)。在非彈性變形過程中，外力做功全部變?yōu)闊崮?，并傳入空氣中耗散掉。我們可以進一步以單質點體系的無阻尼振動來分析，在彈性范圍振動時，慣性力與彈性恢復力總處于動態(tài)平衡狀態(tài)，體系能量在動能、勢能間不停轉換，但總量保持不變。如果某次振動過大，體系進入屈服后狀態(tài)，則體系在平衡位置的動能將在最大位移處轉化為彈性勢能和塑性變形能兩部分，其中，塑性變性能將耗散掉，從而減小了體系總的能量。由此我們可以想到，在地震往復作用下，結構在振動過程中，如果進入屈服后狀態(tài)，將通過塑性變性能耗散掉部分地震輸給結構的累積能量，從而減小地震反應。同時，實際結構存在的阻尼也會進一步耗散能量，減小地震反應。此外，結構進入非彈性狀態(tài)后，其側向剛度將明顯小于彈性剛度，這將導致結構瞬時剛度的下降，自振周期加長，從而減小地震作用。

　　隨著對規(guī)律認識的深入，這一規(guī)律已被各國規(guī)范所接受。在抗震設計時，對在同一烈度區(qū)的同一類結構，可以根據情況取用不同的r，也就是不同的用于強度設計的地震作用。當r取值較大，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大時，對結構的延性要求就可放松。

　　目前，國際上逐步形成了一套“多層次，多水準性態(tài)控制目標”的抗震理念。這一理念主要含義為：工程師應該選擇合適的形態(tài)水準和地震荷載進行結構設計。建筑物的性態(tài)是由結構的性態(tài)，非結構構件和體系的性態(tài)以及建筑物內容物性態(tài)的組合。目前性態(tài)水準一般分為：損傷出現（damageonset）、正常運作（operational）、能繼續(xù)居?。╟ountinuedoccupancy）、可修復的（repairable）、生命安全（lifesafe）、倒塌（collapse）。性態(tài)目標指建筑物在一定程度的地震作用下對所期望的性態(tài)水準的表述。對建筑抗震設計應采用多重性態(tài)目標，比如美國的“面向2000基于性態(tài)工程的框架方案”曾對一般結構、必要結構、對安全起控制作用的結構分別建議了相應的性態(tài)目標――基本目標（常遇地震下完全正常運作，少遇地震下正常運作，罕遇地震下保證生命安全，極罕遇地震下接近倒塌）、必要目標（少于地震下完全正常運作，罕遇地震下正常運作，極罕遇地震下保證生命安全）、對安全其控制作用的目標（罕遇地震下完全正常運作，極罕遇地震下正常運作）。對重要性不同的建筑，如協(xié)助進行災害恢復行動的醫(yī)院等建筑，應該按較高的性態(tài)目標設計，此外，也可以針對甲方對建筑提出的不同抗震要求，選擇不同的性態(tài)目標。

　　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、大震下實現抗震設防目標。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個方面內容：

　　1.“強柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現較早，在達到最大非線性位移時塑性轉動較大；而柱端塑性鉸出現較晚，在達到最大非線性位移時塑性轉動較小，甚至根本不出現塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩(wěn)定的塑性耗能機構和較大的塑性耗能能力。

　　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。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點的組合剪力值，使結構能在大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。

　　這一系統(tǒng)的抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對于耗能機構卻出現了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。首先，這兩種思路都是以優(yōu)先引導梁端出塑性鉸為前提。

　　新西蘭的抗震研究者認為耗能機構宜采用符合塑性力學中的“理想梁鉸機構”，即梁端全部形成塑性鉸，同時底層柱底也都形成塑性鉸的“全結構塑性機構”。其具體做法是通過結構分析得到各構件組合內力值后，對梁端截面就按組合彎矩進行截面設計；而對除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進行設計；對底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進行截面設計。通過這一做法實現在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層柱底塑性鉸出現遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機構”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強系數。

　　美國抗震界則認為新西蘭取的柱彎矩增強系數過大，根據經驗取了較小的柱彎矩增強系數，這一做法使結構在大震引起的非彈性變形過程中，梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對較遲，梁端塑性鉸形成的較普遍，柱端塑性鉸形成的相對少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機構”。

　　新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機構”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實現框架延性和耗散地震能量，同時因為除底層柱底外的其它柱端不出現塑性鉸，也就不必再對這些柱端加更多的箍筋。但是這種思路過于受塑性力學形成理想機構概念的制約，總認為底層柱底應該形成塑性鉸，這樣就對底層柱底提出了較嚴格的軸壓比要求，同時還要用足夠多的箍筋來使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發(fā)生破壞很容易導致結構整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢。

　　因此很多研究者認為不需要被塑性力學的機構概念所限制，只要能在大震下實現以下的塑性耗能機構，就能保證抗震設計的基本要求：

　　1.以梁端塑性鉸耗能為主；

　　2.不限制柱端塑性鉸出現（包括底層柱底），但是通過適當增強柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉動離其塑性轉動能力有足夠裕量；

　　3.同層各柱上下端不同時處于塑性變形狀態(tài)。

　　我國的抗震措施中對耗能機構的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機構”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學的“理想梁鉸機構”模式。

　　抗震設計中我們?yōu)榱吮苊鉀]有延性的剪切破壞的發(fā)生，采取了“強剪弱彎”的措施來處理構件受彎能力與受剪能力的關系問題。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。以梁構件為例，在較大地震作用下，梁端形成交叉斜裂縫區(qū)，該區(qū)混凝土受斜裂縫分割，形成若干個菱形塊體，而且破碎會隨著延性增長而加劇。由于交叉斜裂縫與塑性鉸區(qū)基本重合，垂直和斜裂縫寬度都會隨延性而增大?？拐鹣赂鶕憾说氖芰μ卣?，正剪力總是大于負剪力，正剪力作用下的剪壓區(qū)一般位于梁下部，但由于地震的往復作用，梁底的混凝土保護層可能已經剝落，從而削弱了混凝土剪壓區(qū)的抗剪能力；交叉斜裂縫寬度比非抗震情況大，以及斜裂縫反復開閉，混凝土破碎更嚴重，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應退化；混凝土保護層剝落和裂縫的加寬又會使縱筋的銷栓作用有一定退化?？梢?，地震作用下，混凝土抗剪能力嚴重退化，但是試驗發(fā)現箍筋的抗剪能力仍可以維持。

　　當地震作用越來越小時，梁端可能不出現雙向斜裂縫，而出現單向斜裂縫，裂縫寬度發(fā)育也從大于非抗震情況到接近非抗震情況，抗剪環(huán)境越來越有利。此外，抗震抗剪要求結構構件應在大震下預計達到的非彈性變形狀態(tài)之前不發(fā)生剪切破壞。因為框架剪切破壞總是發(fā)生在梁端塑性鉸區(qū)，這就不僅要求在梁端形成塑性鉸前不發(fā)生剪切破壞，而且抗剪能力還要維持到塑性鉸的塑性轉動達到大震所要求的程度，這就需要更多的箍筋。同時，在梁端塑性變形過程中作用剪力并沒有明顯增大，也進一步說明這里增加的箍筋不是用來增大抗剪強度，而是為了提高構件在發(fā)生剪切破壞時所達的延性。

　　綜上所述，與非抗震抗剪相比，抗震抗剪性能是不同的，其性能與剪力作用環(huán)境，塑性區(qū)延性要求大小有關。我們可以采取以下公式來考慮抗震抗剪的強度公式：其中為混凝土抗剪能力，為箍筋抗剪能力，為由于地震作用導致的混凝土抗剪能力下降的折減系數，且隨著剪力作用環(huán)境、延性要求而改變。我國的抗震抗剪強度公式也以上面公式為基礎的，但是為設計方便，不同的烈度區(qū)取用了相同的公式，均取為0.6，與上面提到的混凝土抗剪能力隨地震作用變化而不同的規(guī)律不一致，較為粗略。

　　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大，混凝土受壓區(qū)高度就越大，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，軸壓力的存在會增大混凝土受壓區(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。