我國鋼筋混凝土抗震設(shè)計的基本思路和方法

高層鋼筋混凝土抗震設(shè)計的基本思路和方法地震災(zāi)害具有突發(fā)性，至今可預(yù)報性很低，給人類社會造成的損失嚴(yán)重，是各類自然災(zāi)害中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。我國根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件，對建筑抗震提出了“三個水準(zhǔn)”的設(shè)防目標(biāo)，即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。通常所講的小震、中震、大震分別指的是50年超越概率為63%，10%，2~3%的多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震。1

結(jié)構(gòu)設(shè)計地震力的確定1.1

低地震力取值的可行性到二十世紀(jì)八十年代，各國設(shè)計規(guī)范都承認(rèn)這樣一個事實，就是在地震作用下，結(jié)構(gòu)在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結(jié)構(gòu)延性），即結(jié)構(gòu)在一個較小的地震下可能達(dá)到或者接近屈服狀態(tài)；而在較大的地震下，結(jié)構(gòu)的若干部位將陸續(xù)進(jìn)入屈服后的非彈性變形狀態(tài)，并且隨著地震力的增大，結(jié)構(gòu)中進(jìn)入彈塑性變形的部位增多，先進(jìn)入屈服的部位彈塑性變形也增大。結(jié)構(gòu)通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉(zhuǎn)換成熱能。

對于“設(shè)計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以從地震力和結(jié)構(gòu)相互關(guān)系上進(jìn)行理解：一方面設(shè)計地震力低的結(jié)構(gòu)，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結(jié)構(gòu)非彈性變形越大，剛度降低越嚴(yán)重，阻尼增大，周期比高設(shè)計地震力的結(jié)構(gòu)增長越多，結(jié)構(gòu)受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設(shè)計過程中，在不降低構(gòu)件豎向承載力保證結(jié)構(gòu)延性的前提下，可以取用一個小于設(shè)防烈度地震反應(yīng)水準(zhǔn)作為設(shè)計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設(shè)計地震力越低，結(jié)構(gòu)屈服部位在屈服后水平和豎向承載力不降低的前提下需要達(dá)到的非彈性變形就越大，也就需要結(jié)構(gòu)有更好的延性性能。

這樣，我們就需要解決如下兩個問題：

A．如何在設(shè)防烈度地震作用與設(shè)計地震力取值之間建立恰當(dāng)?shù)穆?lián)系；

B．如何在設(shè)計地震力與所要求的結(jié)構(gòu)延性建立對應(yīng)關(guān)系。

對于問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學(xué)者認(rèn)為，將設(shè)防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結(jié)構(gòu)設(shè)計加速度，相當(dāng)于賦予結(jié)構(gòu)一個較小的屈服承載力，結(jié)構(gòu)在豎向承載力不降低的情況下，通過屈服后的非彈性變形來經(jīng)受更大的地震，實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。因而，采用低設(shè)計地震力的關(guān)鍵在于保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在大震下達(dá)到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q，各國設(shè)計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設(shè)防烈度地震作用與結(jié)構(gòu)截面設(shè)計所用的地震作用的比值。R或q越大，則要求結(jié)構(gòu)達(dá)到的延性能力越大，R或q越小，則結(jié)構(gòu)需要達(dá)到的延性能力越小。這樣均能實現(xiàn)“大震不倒”。

對于問題B，國外一般有如下三種設(shè)計方案：（1）較高地震力——較低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）較低地震力——較高延性方案。高地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的承載力，低地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟(jì)性來看，都能達(dá)到設(shè)防目標(biāo)。我國的抗震設(shè)計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設(shè)防烈度的小震地面運(yùn)動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進(jìn)行組合，進(jìn)行截面設(shè)計，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應(yīng)過程中形成較為有利的耗能機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力來實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。當(dāng)然，我們還要看到一點(diǎn)，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結(jié)構(gòu)在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結(jié)構(gòu)的延性水平而結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)并沒有明顯提高是明顯不如方案（1）和（2）的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案（1）和（2）是優(yōu)于方案（3）的。

地震動以波的形式在地下及地表傳播，由于震源特點(diǎn)、斷層機(jī)制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機(jī)性。要想得出地震動對于不同結(jié)構(gòu)有什么不同的反應(yīng)，就需要在地震動特性與結(jié)構(gòu)反應(yīng)架起一座橋梁。由于地震動反應(yīng)譜的形狀特征反應(yīng)了不同類型結(jié)構(gòu)動力最大反應(yīng)的特點(diǎn)，所以各工程中一般采用地震影響系數(shù)譜曲線作為計算地震作用的依據(jù)。

我國的譜曲線綜合考慮了烈度、震中距、場地類別、結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比的影響。根據(jù)新修訂的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，給出了抗震設(shè)防烈度（中震）下的設(shè)計基本地震加速度。通過對震級、震中距、場地類別等因素對結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜的影響，抗震規(guī)范把動力放大系數(shù)取為2.25。根據(jù)統(tǒng)計資料，多遇地震烈度比基本烈度降低約1.55度，相當(dāng)于地震作用降低0.35倍，即地震力降低系數(shù)為1/0.352.8。從而得到小震時結(jié)構(gòu)的設(shè)計加速度，其值與重力加速度的比值即為小震時水平地震影響系數(shù)最大值。與其他國家相比，我國的地震力降低系數(shù)R2.7~2.8，其取值與新西蘭“有限延性框架”相當(dāng)（R=3）；介于歐洲共同體低延性DC“L”（R=2.5）和中延性DC“M”（R=3.75）之間；比美國的“一般框架”（R=3.5）還要略小些。單純從R的角度來看，似乎中國規(guī)范在大震下的延性需求和其他國家相比處在“中等延性結(jié)構(gòu)”水平。但是中國設(shè)防烈度下水平地面運(yùn)動的峰值加速度系數(shù)的取值，要比其他各個國家的低（見下表）。結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)相差不大都在2.25附近，而且我國的譜曲線平臺段與其他國家相比很小，下降段較陡，造成反應(yīng)譜的取值較其他國家的低，實質(zhì)上中國R＝2.8相當(dāng)于歐共體的R＝5.0左右，所以實質(zhì)上，我國采用的是“較低地震力——較高延性”方案。在大震下所需要的延性需求與其他國家相比，應(yīng)該屬于高延性需求。各國規(guī)范美國UBC1997新西蘭NZS3101歐洲EC8中國GB50011-2001加速度系數(shù)0.075~0.400.21~0.420.12~0.360.05~0.40

1.2

地震作用計算隨著反應(yīng)譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結(jié)構(gòu)上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法等方法。我國規(guī)范規(guī)定：

底部剪力法適用于高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量剛度沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似單質(zhì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的總地震力由確定，然后再沿高度按倒三角形分布分配，并考慮了地震中可能頂部地震力增大的頂點(diǎn)附加集中力。

振型分解反應(yīng)譜法適用于當(dāng)前現(xiàn)有大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)體系。通過振型組合考慮各周期不同的振型在地震反應(yīng)中的參與程度。對不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)計算的結(jié)構(gòu)，先確定各振型在各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，在按照公式確定水平地震作用效應(yīng)；對進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算的結(jié)構(gòu)，其樓層取兩個正交水平位移和轉(zhuǎn)角位移三個自由度，確定各振型在各樓層兩水平方向和轉(zhuǎn)角方向的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，按或確定水平地震作用效應(yīng)。

規(guī)范同時還規(guī)定，對特別不規(guī)則的建筑，甲類建筑，規(guī)范表5.1.2－1所列高度范圍的高層建筑，應(yīng)用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算，可取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。另外一般彈性時程法分析的結(jié)果有利于判斷薄弱層部位。

對于9度地區(qū)高層建筑考慮豎向地震力，采取與底部剪力法類似的方法，只是豎向地震力的取值約為水平地震力取值的0.57倍左右。

對于長周期結(jié)構(gòu)，地震作用中的地面運(yùn)動加速度和位移可能對結(jié)構(gòu)具有更大的影響，而振型分解反應(yīng)譜法無法對此作出估計，新規(guī)范同時還增加了樓層水平地震剪力最小值的要求，見抗震規(guī)范5.2.5條。國內(nèi)外低周反復(fù)荷載作用下鋼筋混凝土連續(xù)梁及懸臂梁受剪承載力實驗表明，混凝土剪壓區(qū)剪切強(qiáng)度的降低、斜裂縫間骨料咬合力及縱筋暗銷力的降低是梁受剪承載力降低的主要原因。規(guī)范對混凝土的受剪承載力降為非抗震的60％，鋼筋項沒有降低。同樣，對偏壓柱受剪承載力實驗表明，反復(fù)加載使柱受剪承載力降低10％~30%，主要由混凝土項引起，采取與梁相同的作法。對剪力墻的實驗表明，其反復(fù)加載比單調(diào)加載受剪承載力降低15％~20%，采用非抗震受剪承載力乘以0.8的折減系數(shù)。梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震受剪承載力由混凝土斜壓桿和水平箍筋兩部分受剪承載力組成，有關(guān)專家給出了相關(guān)公式。

為了防止梁、柱、連梁、剪力墻、節(jié)點(diǎn)發(fā)生斜壓破壞，我們對受剪截面規(guī)定了受剪承載力上限，即規(guī)定了配箍率的上限值。

通過非彈性動力反應(yīng)分析表明，以上措施基本滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。由于二級抗震等級梁柱在大震下塑性轉(zhuǎn)動仍很大，有關(guān)專家建議剪力增大系數(shù)不宜比一級相差過大，對梁取1.25較好，對柱宜取1.3~1.35。其取值的合理性有待于進(jìn)一步完善。

需要說明的是，梁柱節(jié)點(diǎn)受力非常復(fù)雜，要保證梁柱鋼筋在節(jié)點(diǎn)中的可靠錨固，同時在梁柱端發(fā)生抗彎破壞前，節(jié)點(diǎn)不發(fā)生剪切破壞，其實質(zhì)應(yīng)屬于“強(qiáng)剪弱彎”的范疇。而且，節(jié)點(diǎn)僅對一、二級抗震等級的剪力進(jìn)行調(diào)整，其增大系數(shù)比柱的要小，構(gòu)造措施也比柱端弱些。因而，“更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的說法，不值得提倡。3.3

構(gòu)造措施構(gòu)造措施是梁、柱、剪力墻塑性鉸區(qū)要達(dá)到實際需要的塑性轉(zhuǎn)動能力和耗能能力的保證。它與“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”相互關(guān)聯(lián)，一起保證結(jié)構(gòu)的延性?！皬?qiáng)剪弱彎”是保證塑性鉸轉(zhuǎn)動能力和耗能能力的前提；“強(qiáng)柱弱梁”的嚴(yán)格程度，影響相應(yīng)的構(gòu)造措施，若實行嚴(yán)格的“強(qiáng)柱弱梁”，保證柱子除底部外不出現(xiàn)塑性鉸，相應(yīng)的軸壓比等構(gòu)造措施就要松些。我國采取相對的“強(qiáng)柱弱梁”，延緩柱子出鉸的時間，所以需要采取較嚴(yán)的構(gòu)造措施。3.3.1

梁的構(gòu)造措施梁塑性鉸截面的延性與很多因素有關(guān)，截面延性隨受拉鋼筋配筋率及屈服強(qiáng)度的提高而降低；隨受壓鋼筋配筋率和混凝土強(qiáng)度提高而提高，隨截面寬度增大而增大；塑性鉸區(qū)的箍筋可以防止縱筋的壓屈、提高混凝土極限壓應(yīng)變、阻止斜裂縫的開展、抵抗剪力，充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力；梁高跨比越小，剪切變形比例越大，易發(fā)生斜裂縫破壞，使延性降低。梁縱筋配箍率過低，梁開裂后鋼筋可能屈服甚至拉斷。因而，規(guī)范對于梁縱筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率都有嚴(yán)格規(guī)定。為了抵抗梁端可能的正彎矩，保證截面延性，對梁端拉壓鋼筋面積比作出了限制。同時，還對梁的最小寬度、跨高比、高寬比做了規(guī)定。3.3.2

柱的構(gòu)造措施柱為壓彎型受力構(gòu)件，軸壓比對延性及耗能性影響較大。軸壓比小時，柱子發(fā)生大偏壓破壞，構(gòu)件變形大，延性好，但耗能性降低；隨軸壓比的增大，耗能性增大，但是延性急劇下降，而且箍筋對延性的幫助減小。我們對于采用低地震力設(shè)計的柱子，主要保證其延性，而耗能性放到第二位。規(guī)范對軸壓比作出了限制，一般能保證在大偏壓的范圍內(nèi)。箍筋同樣也對延性起到很大的作用，約束縱筋、提高混凝土壓應(yīng)變、阻止斜裂縫發(fā)展。柱一般為對稱配筋，其縱筋配筋率越大，柱子屈服時變形越大，延性越好。因而對柱子的縱筋最小配筋率、箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率做出了嚴(yán)格規(guī)定。同時對柱子的高寬比、剪跨比、截面最小高度、寬度做出了規(guī)定，以提高抗震性能。3.3.3

節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施節(jié)點(diǎn)作為梁柱鋼筋的錨固區(qū)，對結(jié)構(gòu)性能影響很大。為保證在地震和豎向荷載作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪壓比偏低時為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)提供必要的約束，保持節(jié)點(diǎn)在不利情況下的基本抗剪能力，使梁柱縱筋可靠錨固，對節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的箍筋最大間距、最小直徑、體積配箍率做出了規(guī)定。梁柱縱筋在節(jié)點(diǎn)的可靠錨固是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施的主要內(nèi)容。規(guī)范對梁筋過中節(jié)點(diǎn)的直徑；對梁柱縱筋錨固長度；錨固方式都有詳細(xì)的規(guī)定。3.3.4

剪力墻構(gòu)造措施為保證剪力墻的延性和耗能能力，為墻肢提供約束，防止出現(xiàn)大的裂縫，規(guī)范對剪力墻的邊緣構(gòu)件做出了詳細(xì)規(guī)定；同時也對剪力墻的軸壓比作出了限制；為保證剪力墻的承載力和側(cè)向剛度，對剪力墻提出了最小墻厚的要求；為防止斜拉剪切破壞，限制斜裂縫的發(fā)展，減小溫度收縮裂縫，對剪力墻的水平、豎向分布筋的最小配筋率、最大間距、最小直徑做出了規(guī)定。

綜上所述；框架結(jié)構(gòu)主要就是通過計算和構(gòu)造措施來實現(xiàn)“追求梁鉸機(jī)構(gòu)的能力設(shè)計方案”從而，進(jìn)而實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)的。參考文獻(xiàn)1白紹良等.從各國設(shè)計規(guī)范對比看我國鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震