鋼筋混凝土結構抗震設計思路和理解

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簡介： 目前，世界各國的抗震規(guī)范幾乎都采用這樣一種思路：采用按可能遭遇的地震強弱劃分地震分區(qū)；根據各地區(qū)的歷史發(fā)生地震的統(tǒng)計結果或對地質構造的歷史考察給出具有明確統(tǒng)計含義的設防水準地面運動峰值加速度；再利用加速度反應譜給出不同周期下結構的反應加速度；通過地震力調整系數R得到設計用加速度水準。同時，多數國家都認同這樣的觀點，設防烈度水準可以取用不同的值，選用越高的設防烈度水準，結構的延性要求也就越低，選用越低的設防烈度水準，結構的延性要求就越高。結構延性保障的先決條件是構件的延性，在采用一系列措施保障構件延性的基礎上，再通過有效合理的連接，同時結構體系選擇合理，剛度分布合理的條件下就能基本保證結構的延性。
關鍵字：鋼筋混凝土結構 抗震設計 思路 理解

一.抗震設計思路的簡單回顧

　　建筑結構抗震的發(fā)展是隨著人們都地震動和結構特性的認識不斷深入而逐漸發(fā)展起來的，從誕生至今不過百年的歷史，大致有以下幾個發(fā)展階段：
　　(1) 靜力階段，它最先由日本大森房吉教授通過對當時有限的震害觀測和理論認識提出的抗震設計理論,僅僅適用于剛體結構。它沒有考慮結構的動力特性和場地差別對建筑結構的影響,不加區(qū)分的對所有結構都采用一個統(tǒng)一水平地震力V=kW(k≈0.1;W為結構的重量)來考慮地震作用效應的影響。
　?。?）反應譜階段，隨著真實地震動記錄的獲取和結構動力學理論的發(fā)展，1940年美國的Biot教授提出了彈性反應譜的概念，反應譜是單自由彈性體系在獲取的眾多地震記錄的激勵下，結構周期與響應之間的關系，包括加速度反應譜，速度反應譜，位移反應譜。它綜合考慮了結構的動力特性，至今仍然是各國規(guī)范設計地震力取值的基礎。
　　地震作用力的計算常常用底部剪力法和振型分解反應譜法，振型分解反應譜法的基本概念是：假定建筑結構是線彈性的多自由度體系，利用振型分解和振型正交性的原理，將求解n個自由度彈性體系的地震反應分解為求解n個獨立的等效單自由度彈性體系的最大地震反應，進而求得對應于每一個振型的作用效應。此時，就可以根據考慮地震作用的方式不同，采用不同的組合方式，對于平面振動的多質點彈性體系，可以用SRSS法，它是基于假定輸入地震為平穩(wěn)隨機過程，各振型反應之間相互獨立而推導得到的；對于考慮平—扭耦連的多質點彈性體系，采用CQC法，它與SRSS法的主要區(qū)別在于：平面振動時假定各振型相互獨立，并且各振型的貢獻隨著頻率的增高而降低；而平—扭耦連時各振型頻率間距很小，相鄰較高振型的頻率可能非常接近這就要考慮不同振型間的相關性，還有扭轉分量的影響并不一定隨著頻率增高而降低，有時較高振型的影響可能大于較低振型的影響，相比SRSS時就要考慮更多振型的影響。底部剪力法考慮到結構體系的特殊性對振型分解反應譜法的簡化，當建筑物高度不大，以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構，結構振動位移反應往往以第一振型為主，而且第一振型接近于直線時，就可以把振型分解法簡化為基本的底部剪力法計算公式。這個基本公式計算得到的各質點的水平地震作用可以較好的反映剛度較大的結構，但當結構基本周期較長，場地特征周期較小時，計算所得頂部地震作用偏小，為此，《抗震規(guī)范》規(guī)定，當結構基本周期大于1.4倍的場地特征周期時，在頂部附加水平地震作用。
　　（3）動力理論階段，隨著對地震動認識和理解的不斷加深，認識到反應譜的一些不足，如對地震動持時的影響考慮不周，再加上計算機性能的提高，使得動力法逐漸發(fā)展起來了，它的本質直接求解動力方程，但是由于地震時地面運動加速度極不規(guī)則，對于微分方程無法求出它的閉合解，因此多采用數值積分法。通常的做法是對已記錄的地震波進行連續(xù)分段處理，每段的數據都看做不變的，然后作用到結構上，通過動力平衡方程來求得此刻的加速度、速度、位移反應，接著與前一段的加速度、速度、位移進行疊加，把疊加的結果作為下一時段的初始數據，依此類推，最終求得結構在所給出低周反復地震波下的加速度、速度和位移動力反應變化過程。
　?。?）在1994年美國Northridge地震和1995年日本Kobe地震后，美日學者又提出了基于性態(tài)的抗震設計方法，基于性態(tài)的基本思想，就是使建筑結構在使用期間滿足各種使用功能的要求。它與傳統(tǒng)基于力的設計方法不同，對結構性能的評判主要是基于位移準則，用不同的位移指標來對結構性能進行不同的控制。但是由于大震下結構的非彈性變形難以準確的估計，使得基于性態(tài)的設計方法只能停留在理論上。但提出它的積極意義至少有兩點：1. 強調地震工程的系統(tǒng)性和社會性；2. 認識到原有抗震設計規(guī)范的部分不合理性。
　　作為基于性能抗震設計的基礎，應該對某一具統(tǒng)計意義的特定水平地震作用下的結構位移，速度和加速度進行準確的評估，還應該有一個合理的評估方法和可用的評估工具。正是因為這個目的，提出和發(fā)展了Pushover方法和能力譜方法。Pushover方法的基本思路是采用靜力加載，假定某一分布形式的側向荷載作用在結構上，逐漸加載直到達到結構控制點目標位移或結構破壞，從而得到控制點的水平側移與基底剪力關系曲線，用以評估結構的抗震性能。Pushover方法依賴于側向力的分布形式和彈塑性反應譜目標位移的確定。

二. 鋼筋混凝土抗震設計的基本思路——設計力延性準則

　　在彈性反應譜提出之后，人們發(fā)現由此計算所得的結構反應與實際地震時結構的破壞現象有一定的矛盾，主要是按彈性反應譜算得的結構反應加速度為當時習慣性設計地震力的取值大好幾倍，而且按照習慣性取定的設計地震力的作用下設計的房屋結構，在地震中結構體系的損傷并不嚴重。上世紀60年代，Newmark通過對不同周期的初始剛度相同的單自由度體系在多波輸入的條件下進行了分析，提出了等位移原理和等能量原理，并提出了結構延性的概念。其后，又深入地研究了單自由體系的屈服水準與彈性自振周期以及結構最大非彈性動力反應之間的關系，這就是習慣上所說的R-μ-T效應的理論。通過這些研究，揭示了延性能力和塑性耗能是結構在取用屈服水準不高的情況下，在大震下結構不發(fā)生嚴重破壞和不倒塌的保證。到這里，關于設計地震力取值大小的基本問題就得到了解決，就是抗震時地震力取值的大小不是一個確定的數值，而是和結構延性性能和耗能機制相關的量值。這里需要說明的是，設計地震力取值僅僅解決了一個方面的問題，而對結構延性性能保障方面的措施還必須得以保證，這將在下面一節(jié)討論。
　　目前，世界各國的抗震規(guī)范幾乎都采用這樣一種思路：采用按可能遭遇的地震強弱劃分地震分區(qū)；根據各地區(qū)的歷史發(fā)生地震的統(tǒng)計結果或對地質構造的歷史考察給出具有明確統(tǒng)計含義的設防水準地面運動峰值加速度；再利用加速度反應譜給出不同周期下結構的反應加速度；通過地震力調整系數R得到設計用加速度水準。同時，多數國家都認同這樣的觀點，設防烈度水準可以取用不同的值，選用越高的設防烈度水準，結構的延性要求也就越低，選用越低的設防烈度水準，結構的延性要求就越高。結構延性保障的先決條件是構件的延性，在采用一系列措施保障構件延性的基礎上，再通過有效合理的連接，同時結構體系選擇合理，剛度分布合理的條件下就能基本保證結構的延性。
　　下面這種談談我國抗震規(guī)范的大致思路，現行的中國規(guī)范沒有采用多種設防烈度水準的取用，而不加區(qū)分的統(tǒng)一采用的地震力調整系數R=1/0.35；同時，大致根據設防烈度的不同，劃分不同的抗震等級，著眼于不同的設防烈度，采用不同的保證延性的抗震措施。這里很明顯就存在一個概念的誤解，也就是按照R-μ-T效應的理論，同樣是地震力調整系數R=1/0.35，對結構應該給予同樣的延性保障措施，而中國規(guī)范卻采用了不同延性保障措施，隨著抗震等級的提高，延性保障能力相應加強。這種做法的有效性正在進行非線性動力反應的驗證，大致結果可以這樣描述：對于8度0.3g和9度0.4g的區(qū)域，由于相應的抗震等級比較高，保障延性的措施也比較強，所以一般比較安全；而對于6度0.05g和7度0.1g 的區(qū)域，由此所得到的水平地震效應偏小，一般荷載組合是由重力荷載起控制作用，雖然對應的保障延性的措施不是很強，一般也能夠保障結構在大震下的非彈性變形的性能；但對7度0.15g和8度0.2g的區(qū)域，情況就另人擔憂了，因為在荷載組合時，地震作用一般能起到控制作用，而相應保障延性的措施又偏弱，這樣就難免存在一定的安全隱患。
　　再來看看其他國家地震力調整系數R的選用，以便有一個直觀具體的認識：
　　各國規(guī)范規(guī)定的地震力調整系數

歐洲共同體EC8

新西蘭NZS3101

美國UBC1997

中國GB50011-2001

DC“L”低延性

2.5

彈性反應結構

1.25

一般框架

3.5

1/0.35≈2.86

DC“M”中延性

3.75

有限延性結構

3.0

中等框架

5.5

DC“H”高延性

5.0

延性結構

6.0

特殊框架

8.5

　　同時需要說明的是：1. 中國、美國、新西蘭和歐洲在設防烈度地震上的取值具有相同的統(tǒng)計意義，即以接近或以50年超越概率為10%的地震作為基準地震；2. 新西蘭規(guī)范引導設計者優(yōu)先采用“延性結構”，美國規(guī)范對高烈度區(qū)要求使用“特殊框架”；對中等烈度區(qū)，推薦使用“中等框架”，也允許使用“特殊框架”；對較低烈度區(qū)，推薦使用“一般框架”，也允許使用“中等框架”和“特殊框架”；3. 各國在根據反應譜對設計地震力的絕對取值的大小上，有一定的差異。大致說來就是按照我國抗震規(guī)范R=2.86的前提下進行比較，對短周期和較長周期和其他國家的地震影響系數的取值大致相同，但對中等周期的結構按我國規(guī)范取值所得的地震作用偏小。這就直接導致中等周期的結構同國外同類型的結構相比（這個周期范圍內，我國R=2.86的地震力取值和國外R=5的地震力取值大致相當，而延性的保障是在設定的地震力的基礎上進行），延性較差。