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巖土工程師輔導(dǎo):鋼筋混凝土建筑工程結(jié)構(gòu)抗震思路(1)

更新時(shí)間:2010-05-26 13:12:09 來(lái)源:|0 瀏覽0收藏0

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  一、抗震設(shè)計(jì)思路發(fā)展歷程

  隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路也經(jīng)歷了一系列的變化。

  最初,在未考慮結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力特征,也無(wú)詳細(xì)的地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下,經(jīng)驗(yàn)性的取一個(gè)地震水平作用(0.1倍自重)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。到了60年代,隨著地面運(yùn)動(dòng)記錄的不斷豐富,人們通過(guò)單自由度體系的彈性反應(yīng)譜,第一次從宏觀上看到地震對(duì)彈性結(jié)構(gòu)引起的反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)周期和阻尼比變化的總體趨勢(shì),揭示了結(jié)構(gòu)在地震地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)力特征。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一個(gè)無(wú)法解釋的矛盾,當(dāng)時(shí)規(guī)范所取的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度明顯小于按彈性反應(yīng)譜得出的作用于結(jié)構(gòu)上的地面運(yùn)動(dòng)加速度,這些結(jié)構(gòu)大多數(shù)卻并未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞和倒塌。后來(lái)隨著對(duì)結(jié)構(gòu)非線性性能的不斷研究,人們發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)取的地震作用只是賦予結(jié)構(gòu)一個(gè)基本屈服承載力,當(dāng)發(fā)生更大地震時(shí),結(jié)構(gòu)將在一系列控制部位進(jìn)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(lái)經(jīng)受地震作用。由此,也逐漸形成了使結(jié)構(gòu)在一定水平的地震作用下進(jìn)入屈服,并達(dá)到足夠的屈服后非彈性變形狀態(tài)來(lái)耗散能量的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論。

  由以上可以看出,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路經(jīng)歷了從彈性到非線性,從基于經(jīng)驗(yàn)到基于非線性理論,從單純保證結(jié)構(gòu)承載能力的“抗”到允許結(jié)構(gòu)屈服,并賦予結(jié)構(gòu)一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉(zhuǎn)變。

  二、現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路及關(guān)系

  在當(dāng)前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路,其主要內(nèi)容是:

  1.合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)的地震作用。一般先以一具有統(tǒng)計(jì)意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強(qiáng)弱標(biāo)志值(即中震的),再以不同的r(地震力降低系數(shù))得到不同的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度(即小震的)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì),從而確定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)。

  2.制定有效的抗震措施使結(jié)構(gòu)確實(shí)具備設(shè)計(jì)時(shí)采用的r所對(duì)應(yīng)的延性能力。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施(強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎)和抗震構(gòu)造措施。

  現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念是基于對(duì)結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究上建立起來(lái)的,其核心是關(guān)系,關(guān)系主要指在不同滯回規(guī)律和地面運(yùn)動(dòng)特征下,結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)與自振周期以及最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)間的關(guān)系。其中r為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù),簡(jiǎn)稱(chēng)地震力降低系數(shù);而為最大非彈性反應(yīng)位移與屈服位移之比,稱(chēng)為位移延性系數(shù);t則為按彈性剛度求得的結(jié)構(gòu)自振周期。

  60年代開(kāi)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(guò)對(duì)不同周期,不同屈服水準(zhǔn)的非彈性單自由度體系做動(dòng)力分析,得到了有關(guān)彈塑性反應(yīng)下最大位移的規(guī)律:對(duì)t大于1.0秒的體系適用“等位移法則”即非彈性反應(yīng)下的最大位移總等于同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下的彈性反應(yīng)最大位移。對(duì)于t在0.12-0.5秒之間的結(jié)構(gòu),適用“等能量法則”即非彈性反應(yīng)下的彈塑性變形能等于同一地震地面運(yùn)動(dòng)輸入下的彈性變形能。當(dāng)“等能量原則”適用時(shí),隨著r的增大,位移延性需求的增長(zhǎng)速度比“等位移原則”下按與r相同的比例增長(zhǎng)更快。由以上規(guī)律我們可以看出,如果以結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)為準(zhǔn),把結(jié)構(gòu)用來(lái)做承載能力設(shè)計(jì)的地震作用取的越低,即r越大,則結(jié)構(gòu)在與彈性反應(yīng)時(shí)相同的地震作用下達(dá)到的非彈性位移就越大,位移延性需求就越高。這意味著結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),當(dāng)其彈塑性屈服水準(zhǔn)取值大小不同時(shí),在同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下屈服水準(zhǔn)與所達(dá)到的最大非彈性位移之間的關(guān)系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準(zhǔn)不高的結(jié)構(gòu)在較大地震引起的非彈性動(dòng)力反應(yīng)中不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞和倒塌的主要原因。讓人們認(rèn)識(shí)到延性在抗震設(shè)計(jì)中的重要性。

  之所以存在上訴的規(guī)律,我們應(yīng)該注意到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一些相關(guān)特性。首先,通過(guò)人為措施可以使結(jié)構(gòu)具有一定的延性,即結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在進(jìn)入較大非線性變形時(shí),不會(huì)出現(xiàn)因強(qiáng)度急劇下降而導(dǎo)致的嚴(yán)重破壞和倒塌,從而使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),在一定的外力作用下,結(jié)構(gòu)將從彈性進(jìn)入非彈性狀態(tài)。在非彈性變形過(guò)程中,外力做功全部變?yōu)闊崮埽魅肟諝庵泻纳⒌�。我們可以進(jìn)一步以單質(zhì)點(diǎn)體系的無(wú)阻尼振動(dòng)來(lái)分析,在彈性范圍振動(dòng)時(shí),慣性力與彈性恢復(fù)力總處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),體系能量在動(dòng)能、勢(shì)能間不停轉(zhuǎn)換,但總量保持不變。如果某次振動(dòng)過(guò)大,體系進(jìn)入屈服后狀態(tài),則體系在平衡位置的動(dòng)能將在最大位移處轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)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(fù)作用下,結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中,如果進(jìn)入屈服后狀態(tài),將通過(guò)塑性變性能耗散掉部分地震輸給結(jié)構(gòu)的累積能量,從而減小地震反應(yīng)。同時(shí),實(shí)際結(jié)構(gòu)存在的阻尼也會(huì)進(jìn)一步耗散能量,減小地震反應(yīng)。此外,結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)后,其側(cè)向剛度將明顯小于彈性剛度,這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)瞬時(shí)剛度的下降,自振周期加長(zhǎng),從而減小地震作用。

  隨著對(duì)規(guī)律認(rèn)識(shí)的深入,這一規(guī)律已被各國(guó)規(guī)范所接受。在抗震設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)在同一烈度區(qū)的同一類(lèi)結(jié)構(gòu),可以根據(jù)情況取用不同的r,也就是不同的用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地震作用。當(dāng)r取值較大,即用于設(shè)計(jì)的地震作用較小時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求就越嚴(yán);反之,當(dāng)r取值較小,即用于設(shè)計(jì)的地震作用較大時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求就可放松。

  目前,國(guó)際上逐步形成了一套“多層次,多水準(zhǔn)性態(tài)控制目標(biāo)”的抗震理念。這一理念主要含義為:工程師應(yīng)該選擇合適的形態(tài)水準(zhǔn)和地震荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建筑物的性態(tài)是由結(jié)構(gòu)的性態(tài),非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和體系的性態(tài)以及建筑物內(nèi)容物性態(tài)的組合。目前性態(tài)水準(zhǔn)一般分為:損傷出現(xiàn)(damageonset)、正常運(yùn)作(operational)、能繼續(xù)居住(countinuedoccupancy)、可修復(fù)的(repairable)、生命安全(lifesafe)、倒塌(collapse)。性態(tài)目標(biāo)指建筑物在一定程度的地震作用下對(duì)所期望的性態(tài)水準(zhǔn)的表述。對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用多重性態(tài)目標(biāo),比如美國(guó)的“面向2000基于性態(tài)工程的框架方案”曾對(duì)一般結(jié)構(gòu)、必要結(jié)構(gòu)、對(duì)安全起控制作用的結(jié)構(gòu)分別建議了相應(yīng)的性態(tài)目標(biāo)??基本目標(biāo)(常遇地震下完全正常運(yùn)作,少遇地震下正常運(yùn)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(biāo)(少于地震下完全正常運(yùn)作,罕遇地震下正常運(yùn)作,極罕遇地震下保證生命安全)、對(duì)安全其控制作用的目標(biāo)(罕遇地震下完全正常運(yùn)作,極罕遇地震下正常運(yùn)作)。對(duì)重要性不同的建筑,如協(xié)助進(jìn)行災(zāi)害恢復(fù)行動(dòng)的醫(yī)院等建筑,應(yīng)該按較高的性態(tài)目標(biāo)設(shè)計(jì),此外,也可以針對(duì)甲方對(duì)建筑提出的不同抗震要求,選擇不同的性態(tài)目標(biāo)。

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