巖土工程師輔導：鋼筋混凝土建筑工程結構抗震思路(1)

　　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)居住(countinuedoccupancy)、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。

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