鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計思路和理解

　　一.抗震設計思路的簡單回顧

　　建筑結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展是隨著人們都地震動和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。它沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力特性和場地差別對建筑結(jié)構(gòu)的影響,不加區(qū)分的對所有結(jié)構(gòu)都采用一個統(tǒng)一水平地震力V=kW(k≈0.1;W為結(jié)構(gòu)的重量)來考慮地震作用效應的影響。

　　(2)反應譜階段，隨著真實地震動記錄的獲取和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)周期與響應之間的關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)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(zhì)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(zhì)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(guān)性，還有扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(zhì)點的水平地震作用可以較好的反映剛度較大的結(jié)構(gòu)，但當結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(shù)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(shù)據(jù)都看做不變的，然后作用到結(jié)構(gòu)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(jié)果作為下一時段的初始數(shù)據(jù)，依此類推，最終求得結(jié)構(gòu)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。

　　(4)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能進行不同的控制。但是由于大震下結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)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(cè)向荷載作用在結(jié)構(gòu)上，逐漸加載直到達到結(jié)構(gòu)控制點目標位移或結(jié)構(gòu)破壞，從而得到控制點的水平側(cè)移與基底剪力關(guān)系曲線，用以評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。Pushover方法依賴于側(cè)向力的分布形式和彈塑性反應譜目標位移的確定。

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　　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(xiàn)由此計算所得的結(jié)構(gòu)反應與實際地震時結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象有一定的矛盾，主要是按彈性反應譜算得的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，在地震中結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大非彈性動力反應之間的關(guān)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(jié)構(gòu)在取用屈服水準不高的情況下，在大震下結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴重破壞和不倒塌的保證。到這里，關(guān)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(shù)值，而是和結(jié)構(gòu)延性性能和耗能機制相關(guān)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(jié)構(gòu)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(jù)各地區(qū)的歷史發(fā)生地震的統(tǒng)計結(jié)果或?qū)Φ刭|(zhì)構(gòu)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(jié)構(gòu)的反應加速度;通過地震力調(diào)整系數(shù)R得到設計用加速度水準。同時，多數(shù)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(jié)構(gòu)的延性要求也就越低，選用越低的設防烈度水準，結(jié)構(gòu)的延性要求就越高。結(jié)構(gòu)延性保障的先決條件是構(gòu)件的延性，在采用一系列措施保障構(gòu)件延性的基礎上，再通過有效合理的連接，同時結(jié)構(gòu)體系選擇合理，剛度分布合理的條件下就能基本保證結(jié)構(gòu)的延性。

　　下面這種談談我國抗震規(guī)范的大致思路，現(xiàn)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(diào)整系數(shù)R=1/0.35;同時，大致根據(jù)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(diào)整系數(shù)R=1/0.35，對結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(diào)整系數(shù)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(diào)整系數(shù)

　　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(jié)構(gòu)1.25一般框架3.51/0.35≈2.86

　　DC“M”中延性3.75有限延性結(jié)構(gòu)3.0中等框架5.5

　　DC“H”高延性5.0延性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)”，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(jù)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(shù)的取值大致相同，但對中等周期的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)同國外同類型的結(jié)構(gòu)相比(這個周期范圍內(nèi)，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。

　　三. 能力設計法

　　上面一個部分著重討論了設計地震力取值的問題，但要保證結(jié)構(gòu)在大震下的性能，還需要制訂有效的抗震措施，使結(jié)構(gòu)確實具備所需要的保持豎向承載力條件下非彈性變形能力，這就是所謂的能力設計法。

　　能力設計法由新西蘭鋼筋混凝土抗震老師T. Paulay和R. Park等學者發(fā)展和倡導，主要思路是對構(gòu)件間或構(gòu)件內(nèi)不同受力形式間的承載能力差的控制，保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成梁鉸機構(gòu)和延性較大的正截面受力破壞形態(tài)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的彈塑性變形性能，保證大震時具有足夠的能力耗散性能，避免產(chǎn)生脆性破壞和出現(xiàn)不利的機構(gòu)形式。能力設計法的關(guān)鍵是將控制概念引入結(jié)構(gòu)的抗震設計，有目的的引導形成對結(jié)構(gòu)有利的破壞機制和破壞模式，避免不合理的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)，并設法保證預計破壞部位的彈塑性變形能力。

　　能力設計法主要通過以下三種措施給予保證：1. 增大柱相對于梁的抗彎能力，人為的引導結(jié)構(gòu)的出鉸部位。2. 提高相對于正截面承載力的抗剪能力，避免出現(xiàn)非延性的剪切破壞。3. 對有可能出現(xiàn)塑性鉸的部位，采用相應的構(gòu)造措施，保證必要的非彈性變形性能。

　　首先對出鉸的合理部位進行討論，各國大致的思路差不多，都偏向于使梁端先于柱端出現(xiàn)的方案。這種出鉸方案有以下優(yōu)點：梁的延性易于控制，且一般情況下比柱的延性大;梁鉸比柱鉸形成的整體塑性變形小;梁鉸機構(gòu)形成的塑性變形比較穩(wěn)定。在承認優(yōu)先形成梁鉸的前提下，還有兩種不同的設計方法，一種是由新西蘭為代表的，傾向于形成理想的梁鉸機構(gòu)，就是保證梁端出現(xiàn)塑性鉸，而柱子除底層外，均不出現(xiàn)塑性鉸，此時對除底層柱外給柱子相對于梁比較大的超強系數(shù)(大概2.0)，好處是這時柱子(除底層外)不需要進行復雜的配箍，因為采用這樣的系數(shù)能保證出鉸很明確。但正是由于這種設計方法追求理想的梁餃機構(gòu)導致底層柱子相比較弱，就有出鉸的可能，相應就必須采用構(gòu)造措施保證這個部位的塑性變形性能。同時，如若底層出鉸對結(jié)構(gòu)的影響就會較大，一旦壓潰可能會導致結(jié)構(gòu)的整體倒塌，這就必須從構(gòu)造上給予保障，增加了構(gòu)造的難度。另一種方案包括美國、歐共體、中國等，這種方案引導結(jié)構(gòu)柱鉸晚于梁鉸出現(xiàn)，同時可不限制鉸的出現(xiàn)，但要求結(jié)構(gòu)不形成層側(cè)移結(jié)構(gòu)，這時對柱子的超配系數(shù)比起新西蘭要求的要小(大概1.4)，同時對柱子采用配箍筋加以約束的方案。其實對柱子采用超配系數(shù)的確定問題比較復雜：梁端構(gòu)造的超配的影響;梁柱端塑性鉸出現(xiàn)內(nèi)力重分布的影響;屈服前的非彈性特征可能使柱子的實際彎矩大于彈性分析得到的彎矩;材料差異所帶來的不確定因素;結(jié)構(gòu)非彈性特征的發(fā)育導致結(jié)構(gòu)動力特性變化所帶來的影響等等。按照能力設計的要求，剪力墻的塑性鉸一般出現(xiàn)在墻肢的底部。聯(lián)肢剪力墻的承載力和延性與洞口連梁的承載力和延性有很大的關(guān)系，一般盡可能的設計成弱連梁，有意識的引導連梁在地震時首先屈服，然后是底部墻的屈服，也就是預計塑性鉸區(qū)的屈服。

　　避免出現(xiàn)過早剪切破壞的原因很簡單，就是因為剪切破壞屬于脆性破壞，不利于保證結(jié)構(gòu)的延性，保證的辦法就是按照抗震等級的不同對所有的梁、柱、墻等構(gòu)件采用相對于抗彎的不同的超配系數(shù)。 

　　抗震抗剪的基本要求是在梁端塑性鉸大震中所需塑性轉(zhuǎn)動之前不發(fā)生剪切破壞，這與非抗震抗剪有概念性的差異。對于各種不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗剪機理和我國規(guī)范的處理方式，這里有必要說明一下。梁：抗震時由于低周的反復作用使得梁出現(xiàn)交叉斜裂縫，斜裂縫的分布決定了抗震的抗剪能力比非抗震有所下降，原因：抗震時的剪切破壞發(fā)生在縱筋屈服之后，這時裂縫較大;交叉裂縫的出現(xiàn)對混凝土的損傷更加嚴重;抗震時加大梁端負彎矩的數(shù)值，導致較大的剪力值出現(xiàn)在梁的下端，由于下端沒有現(xiàn)澆板，更容易破壞。但此時箍筋的作用與非抗震時的作用相差無幾，規(guī)范上對此不利作用的考慮是采取對抗剪公式中對混凝土項0.6的折減，同時，為了避免非延性的斜壓破壞，采用了比非抗震時更嚴厲的限制措施，把截面的剪力設計值比非抗震時乘以0.8的折減系數(shù)。柱：規(guī)范中對抗震時柱的抗剪公式的處理原則一樣，也是對混凝土項采用0.6的折減系數(shù)，同樣采用更嚴厲的措施防止斜壓破壞，把截面的剪力設計值比非抗震時乘以0.8的折減系數(shù)。但由于一般情況下，柱的軸壓力比較大，這種壓力對于柱出現(xiàn)塑性鉸后對構(gòu)件的抗剪性能偏有力，按照這種思路，柱采用和梁一樣的折減似乎不大合理。墻：抗震時，國內(nèi)幾乎沒有相關(guān)的試驗資料，僅僅是采用對非抗震的抗剪公式對混凝土項和鋼筋項都采用了0.8的折減系數(shù)，同時，為防止斜壓破壞，采用限制剪壓比的辦法，把截面的剪力設計值比非抗震時乘以0.8的折減系數(shù)。需要說明的是，一般情況下，剪力墻抗剪存在問題的部位大概是下部幾個樓層。節(jié)點：主要的承受剪力構(gòu)件，節(jié)點剪力主要是依靠桁架機構(gòu)、斜壓桿機構(gòu)、箍筋的約束效應三個機構(gòu)或途徑來承受。桁架機構(gòu)主要是抵抗鋼筋主拉應力，斜壓桿機構(gòu)主要是抵抗混凝土及鋼筋產(chǎn)生的主壓應力，箍筋的約束效應則是增強混凝土的抗剪能力。隨著節(jié)點區(qū)內(nèi)混凝土非線性的發(fā)展，桁架結(jié)構(gòu)的作用不斷減小，而后兩者的作用卻在不斷增強。因此，節(jié)點抗震的主要目標是在反復受力的情況下，通過加強斜壓桿機構(gòu)和箍筋約束效應來避免核心區(qū)混凝土斜向壓潰從而使節(jié)點在達到預計的大震反應之前不發(fā)生剪切破壞。

　　對于以上抗剪機理的討論后，就可以梁柱箍筋的作用做如下總結(jié)：第一個顯而易見的作用是用于抗剪;第二個作用是約束混凝土，這對保障結(jié)構(gòu)延性起非常重要的作用，這里還可以隨便說一下高強混凝土用于抗震時所遇到的障礙，這首先和高強混凝土的材性相關(guān)，強度越高的混凝土就越脆，它的應力應變關(guān)系中達到最大壓應力的應變比較小，這就使得設計成延性構(gòu)件形成很大的困難，同時由于混凝土的強度越高，箍筋起約束的效能就越差，也就不能夠有效的提高混凝土的極限壓應變，這樣就導致了采用高強混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性難以得到保障;第三個作用是對梁端縱向鋼筋的約束作用，防止縱向鋼筋的失穩(wěn)，這與鋼筋的特殊材性有關(guān)(鋼筋的包興格效應)。

　　最后，討論一下在預計出現(xiàn)塑性鉸的部位如何保障構(gòu)件的非彈性變形性能。1. 在以塑性鉸的長度為基礎，配加密箍筋目的是從構(gòu)造上對框架梁、柱塑性鉸區(qū)的受壓區(qū)混凝土提供約束，并約束縱向受力鋼筋，防止它在保護層混凝土脫落后過早壓屈，以保證梁、柱端塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力;并要求柱子的鋼筋搭接應該位于塑性鉸區(qū)以外的部位;抗震結(jié)構(gòu)的最小配筋率比非抗震結(jié)構(gòu)的要大。2. 采用對框架梁的混凝土受壓區(qū)高度和柱的軸壓比進行了相關(guān)的要求;還有對梁的跨高比進行了限定。3. 節(jié)點：為了避免當彈性變形較大時，梁端的鋼筋屈服區(qū)向節(jié)點內(nèi)滲透，貫穿節(jié)點的梁筋粘結(jié)退化與滑移加劇，從而使框架剛度和耗能性能進一步退化，規(guī)范中要求貫穿節(jié)點的每根梁筋直徑不宜大于柱截面高度的1/20。4. 剪力墻在周期反復荷載作用下的塑性變形能力與墻肢的軸壓比的大小有著密切的關(guān)系。規(guī)范相應規(guī)定了對一、二級抗震等級的剪力墻，在塑性鉸可能出現(xiàn)的底部加強部位，規(guī)定了重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比限值。而且要求一、二級抗震等級下，當剪力墻底部可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域內(nèi)軸壓比較大時，應通過約束邊緣構(gòu)件為墻肢兩端的混凝土提供足夠的約束;對三、四級抗震等級的剪力墻肢，用構(gòu)造邊緣構(gòu)件為墻肢兩端的混凝土提供約束。

　　四. 一些補充說明

　　上面的所有討論的基礎都是基于設計使用年限為50年的丙類建筑，對于甲級和乙級的房屋建筑應該按照抗震規(guī)范3.1.3條，采用相應的對地震力的取值和抗震措施。對于設計使用年限為100年及其以上的丙類建筑，結(jié)構(gòu)設計時應另行確定在其設計基準期內(nèi)的活荷載、雪載、風載和地震作用的取值，確定結(jié)構(gòu)的可靠度指標以及確定鋼筋保護層厚度等構(gòu)件的有關(guān)參數(shù)的取值。結(jié)構(gòu)抗震設計所采用的基本地震加速度、抗震措施，應根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、設計使用年限、原設計基本地震加速度等條件專門研究后確定。

　　此外，由于抗震的受力特性，對鋼筋和混凝土的材性和相應的構(gòu)造做法應有一些基本的要求，如箍筋的135度彎鉤;鋼筋和混凝土材料的選用等，設計應給予充分的考慮。