提高砼結構延性及設防烈度的基本抗震思想

摘 要:地震災害是人類面臨的嚴重自然災害之一。“5·12”四川大地震中，房屋倒塌是造成人員傷亡的主要原因，尤其是學校和醫(yī)院影響最大。學校房屋倒塌導致師生集中傷亡，而醫(yī)院癱瘓則大大影響患者的正常治療，更無法承擔搶救傷員的任務。目前我國的建筑抗震要求是抵御八級烈度地震，而汶川當?shù)氐慕ㄖ拐鹨笠彩堑钟思壛叶鹊卣穑墒谴舜蔚卣鹆叶葏s達到了十級，因此，在地震作用下，建筑物結構的延性與結構的強度具有同等重要的意義。地震力降低系數(shù)對設防烈度地震作用的整體降低實際上決定了結構的屈服水準和對結構延性需求的大小。

關鍵詞:地震;等劃分級強度;延性;地震力降低系數(shù);抗震設防烈度

發(fā)生在四川汶川“5·12”的大地震是中國近幾年來所遇見的震級最大，傷亡慘重的一次特大自然災害?？粗娨曠R頭前的殘垣斷壁，多數(shù)建筑物已成一堆廢墟，少有的幾棟建筑物能夠聳立不倒，房屋倒塌是造成人員傷亡的主要原因，尤其是學校和醫(yī)院影響最大。目前我國的建筑抗震要求是抵御八級烈度地震，而汶川當?shù)氐慕ㄖ拐鹨笠彩堑钟思壛叶鹊卣?，可是此次地震烈度卻達到了十級，因此傷亡十分慘重。因此應提高地震的預防水平，加強重點項目的抗震能力。

首先地震的成因主要有三種:構造地震、火山地震和陷落地震。

地震發(fā)生后，各地區(qū)的地震災害一般不相同，通常用地震烈度來描述地震的宏觀現(xiàn)象。世界上多數(shù)國家使用的基本上是12等級劃分的烈度表。 對應于一次地震，震級只有一個，而地震烈度在不同地區(qū)卻是不同的。通常震中的地震烈度最高，隨著震中距的增加，地震烈度逐漸降低。 一個地區(qū)的基本烈度是指該地區(qū)今后一定時間內(nèi)，在一般場地條件下可能遭遇的最大地震烈度。根據(jù)我國有關單位對華北、西南、西北45個城鎮(zhèn)的地震烈度所作出的概率分析，基本烈度大體為在設計基準期內(nèi)超越概率為10%的地震烈度。

建筑場地對不同建筑物的破壞有很大影響。它的一個重要動力特性是建筑場地的卓越周期，又叫設計特征周期，或簡稱特征周期。建筑物的自振周期與場地特征周期相等或接近時，建筑物的震害有明顯加重的趨勢。這是由于建筑物的振動發(fā)生了類似共振的現(xiàn)象。在建筑物的抗震設計時應盡量避免這種現(xiàn)象

1 建筑結構應根據(jù)其使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁類四個抗震設防類別。

甲類、乙類建筑:當本地區(qū)的抗震設防烈度為6～8度時，應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求;當本地區(qū)的設防烈度為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。當建筑場地為Ⅰ類時，應允許仍按本地區(qū)抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施;

丙類建筑:應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求。當建筑場地為I類時，除6度外，應允許按本地區(qū)抗震設防烈度降低一度的要求采取抗震構造措施.按建筑類別及場地調(diào)整后用于確定抗震等級烈度，按調(diào)整后的抗震等級烈度。

全國大部分地區(qū)的房屋抗震設防烈度一般為8度。地震具有突發(fā)性、不可預見性、災害性的特點，至今可預報性、提前預知能力及防護措施仍然很低。強烈地震常造成人身和財產(chǎn)的巨大損失。我國屬地震多發(fā)帶，需要考慮抗震設防的地域較廣闊且設防烈度需加強，因此研究結構的抗震性能在我國具有充分的必要性。我國的現(xiàn)代抗震設計理論是從五十年代開始，在國際抗震理論的推動下發(fā)展起來的，并逐漸形成了自己的特色。在積累了相當?shù)难芯砍晒蛯嵺`經(jīng)驗的基礎上，相繼制定了74、78、89規(guī)范和新修訂的2001抗震設計規(guī)范(GB5001122001)按2001 年規(guī)范設計的建筑物的抗震能力較89 規(guī)范可提高10%～15%，其技術含量達到國際先進水平。但由于受國家經(jīng)濟實力的限制，安全可靠度的設置仍低于美國等發(fā)達國家。要想更好的執(zhí)行規(guī)范就必須明確抗震規(guī)范制定的基本思想，明確抗震設計的基本原則。

在地震作用下， 一味地追求結構的強度并不可取，結構的延性是非常重要的地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震，50年出現(xiàn)的概率大約為63%，重現(xiàn)期為50年。中震是指50年出現(xiàn)的概率約為10%，重現(xiàn)期為475年。而大震指的是罕見地震，50年出現(xiàn)的概率為2%～3%，重現(xiàn)期為1641～2475 年。對于偶然性和隨機性很大的地震荷載，要想使結構強度一定大于結構反應，幾乎是不可能的，而且是十分不經(jīng)濟的。受社會承受犧牲的能力和經(jīng)濟制約的因素，我們只能從概率的角度出發(fā)，使結構在一定的概率保證下能安全正常地發(fā)揮作用。這就決定了抗震設計的基本原則，在我國即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。在“小震”作用下，要求結構不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結構抗震分析角度來說，就是要求結構在“小震”作用下保持準彈性反應狀態(tài)，而不進入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結構構件破壞的非彈性反應狀態(tài);同時結構的側向變形應控制在合理的限制范圍以內(nèi)，目的是使結構具有足夠的抗側向力剛度。中震大概相當于我們的設防烈度地震，當遭遇到中震作用時，結構可以有一定程度的損壞，經(jīng)修復或不經(jīng)修復仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟角度來說，維修費用不能太高。對發(fā)生概率極小的罕遇大震(“大震”的烈度比設防烈度約高一度左右) .要求當結構在遭遇“大震”作用時，不應倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。這樣一個抗震設防目標是非常經(jīng)濟合理的。因為地震的發(fā)生太偶然，倘使我們一味地追求結構的強度以保證中震甚至是大震作用下結構不壞，這將會使極大量的材料在絕大部分時間里，甚至在整個壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做是不明智的。在上述設計原則指導下，就要求結構處于這樣一種狀況:當小震來臨，應確保所有的結構構件在抵抗地震作用力時，具有足夠的強度，使其基本上處于彈性狀態(tài)。并通過驗算小震作用下的彈性位移共同來保證結構不壞。處于這個階段的結構構件不會發(fā)生明顯的非線性變形，也不必需要采取特殊的構造措施。在中震作用下，結構的某些關鍵部位超過彈性強度，進入屈服，發(fā)生較大變形，達到非線形階段，這時，我們就特別提出延性要求(延性指當?shù)卣鹌仁菇Y構發(fā)生較大的非線性變形時，結構仍能維持其初始強度的能力，是結構超過彈性階段的變形能力，它是結構抗震能力強弱的標志。它包括承受極大變形的能力和靠滯回特性吸收能量的能力，它是抗震設計當中一個非常重要的特性) .當中震來臨的時候，因為結構具有非彈性特征，某些關鍵部位超過其彈性強度，進入塑性狀態(tài)。由于它有一定的延性，它的非線性能夠承擔塑性變形，使它在變形中能夠耗費和吸收地震能量。代價是可能導致較寬的裂縫，混凝土表皮起殼、脫落，可能有一定的殘余變形，但不至于導致安全失效，以達到中震可修的設防目標。處于這個階段的結構，對延性就會提出相應的要求，而延性就要靠精心設計的細部構造措施來保證。

2 地震力降低系數(shù)的大小決定了設計地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小。由上所述，用于承載力設計的地震作用可以取到小震水平，當更大的地震來臨的時候，則靠結構的延性去抵抗。所以，我們并不取用設防烈度地震作用力來進行結構承載力設計，而需要把設防烈度地震力降低一個系數(shù)，稱為地震力降低系數(shù)。地震力降低系數(shù)取得越大，設計地震作用就取得越小;地震力降低系數(shù)取得越小，設計地震作用就取得越大。在同一個設防烈度下，地震力降低系數(shù)取得越大，地震作用就越小，那么按此小的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越低，意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越大，這就要求結構具有較大的延性來保證它較大的非彈性變形的實現(xiàn)，因而對延性提出的要求就更高。這一延性等級的結構即為較低設計地震力取值2較高延性要求的“高延性等級”結構。地震力降低系數(shù)取得越小，地震作用就越大，那么按此大的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越高，意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越小，這就只需要要求結構具有較小的延性來保證它較小的非彈性變形的實現(xiàn)，因而對延性提出的要求就越低。這一延性等級的結構即為較高設計地震力取值2較低延性要求的“低延性等級”結構。同理，在同一個設防烈度下，地震力降低系數(shù)取為中等，地震作用也為中等，因而對延性提出的要求也為中等。這一延性等級的結構即為中等設計地震力取值2中等延性要求的“中等延性等級”結構。這樣，地震力降低系數(shù)的大小實際上就決定了設計地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小。中國規(guī)范規(guī)定把設防烈度地震作用降低約3 倍來進行承載力設計，即設防烈度地震作用反應譜除以地震承載力降低系數(shù)3 ，而得到設計所用的反應譜。并且中國規(guī)范按設防烈度從大到小對結構延性提出了從高到低的要求，具體是用抗震等級來表示，共分為一級、二級、三級、四級四個等級。初步印象是:中國的地震力降低系數(shù)的取值偏低。這似乎說明中國的地震力取值較高，因而并不需要對結構提出高延性要求。其實不然，在對比了中國和西方國家的設防地震作用反應譜曲線之后，我們發(fā)現(xiàn)，在中長周期范圍內(nèi)，西方要比中國高，也就是說，中國在較低的反應譜水平下降低3 倍，跟西方在較高的反應譜水平下降低5 倍，甚至更多之后的作用水平是相差不多的，這就說明，中國對抗震結構應提出相當于西方地震力降低系數(shù)等于5 ，甚至高一檔次的高延性要求。

3 “能力設計法”已為各國普遍接受，通過能力設計法以選擇性質(zhì)不同的主要抗側力構件，在地震作用影響產(chǎn)生大變形的情況下，能夠形成較好的耗能機制。為了使鋼筋混凝土結構在地震引起的動力反應過程中表現(xiàn)出必要的延性，就必須通過能力設計法，使塑性變形更多地集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構件上。能力設計法的具體思路有三步:

3.1 第一步是選擇一個可接受的塑性變形機構。所選機構的位移延性應該靠塑性鉸處最小非線性轉動來達到。一旦選定了合適的塑性變形機構，就可以精確地確定能量耗散部位。能力設計法在選擇塑性變形機構的選擇上存在兩種不同的方案:一種是“梁鉸機構”。其具體措施是人為地較大幅度增加柱端的抗彎能力，使除底層柱底以外的各柱端在較強地震作用下，原則上不進入屈服后狀態(tài)，即不出現(xiàn)塑性鉸。由于柱端原則上不進入屈服，曲率較小，因此對除底層柱底的其它各層柱端不必提出嚴格的軸壓比控制條件，即不必一定要把柱端的受力狀態(tài)控制在離大、小偏心受壓界限狀態(tài)尚有一定距離的延性較好的大偏心受壓狀態(tài)。這種機構主要靠梁端出鉸來耗散地震能量。另一種是“梁柱鉸機構”。其具體措施是只在一定程度上人為增大柱的抗彎能力，因此，從總體上說，柱端雖然與梁端相比相對較強，但在較強和很強地震作用下，柱端仍有可能進入屈服，只不過梁端出現(xiàn)塑性鉸的機會較多、較早，塑性轉動較大;柱端塑性鉸則出現(xiàn)相對較遲，塑性轉動相對較小。只要對柱的軸壓比控制較嚴，使柱端不出現(xiàn)小偏心受壓和離大、小偏壓分界狀態(tài)過近的大偏心受壓情況，再通過加強對柱端塑性鉸區(qū)的約束，就可以使柱端具有所需的、不十分苛刻的塑性轉動能力(延性能力) 且不致壓潰。這種機構主要靠梁柱共同出鉸來耗散地震能量。對比以上兩種方案，前者實際上是提高了柱的強度，加強了柱的彈性變形能力。在實際配筋當中，縱筋用量相對較多，箍筋用量相對較少。后者實際上是提高了柱的塑性變形能力，在實際配筋當中，縱筋用量相對較少，箍筋用量相對較多。中國規(guī)范選擇了第二個方案，即“梁柱鉸機構”。這即是我們通常所說的“強柱弱梁”。為了實現(xiàn)能力設計方法中的強柱弱梁機構，我們通常的做法是對柱截面的組合彎矩乘以增大系數(shù);也可以對由梁端實際配筋反算出梁端可抵抗彎矩，即實配彎矩乘以增大系數(shù)的方法來實現(xiàn)，并用增大后的彎矩值進行柱端控制截面的承載力設計。

3.2 第二步是要通過人為增大各類構件的抗剪能力，使其不致在強烈地震作用下，在結構延性未發(fā)揮出來之前出現(xiàn)非延性的剪切破壞。這即是我們通常所說的強剪弱彎。通常的做法是用剪力增大系數(shù)增大梁端、柱端、剪力墻端、剪力墻洞口連梁端以及梁柱節(jié)點處的組合剪力值，并用增大后的剪力設計值進行受剪控制截面控制條件，進行驗算和設計。具體措施也有兩類。一類是直接對一跨梁兩端截面的順時針或反時針方向的組合彎矩值乘以增大系數(shù)，再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關系中求得梁端剪力。另一類是沿順時針或反時針方向求得一跨梁兩端截面按實際配筋能夠抵抗的彎矩，對其乘以增大系數(shù)，再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關系中求得梁端剪力。

3.3 第三步是通過相應的構造措施，保證可能出現(xiàn)塑性鉸的部位具有所需的塑性轉動能力和塑性耗能能力。通常通過箍筋加密，限制軸壓比等措施來給予保證。

上述三個步驟所采取的措施是相互關聯(lián)的。第二步措施是第一步措施實現(xiàn)的前提和保障;因為只有塑性鉸區(qū)不致先期發(fā)生剪切失效，才能夠有梁柱塑性鉸區(qū)的塑性轉動。第一步措施要求較嚴，則第三步則可相對較弱。反之，第一步的措施較松，則對第三步的要求就較嚴格。因為如果柱彎矩增強系數(shù)很大，大到能保證除底層以外的其它柱端都不出現(xiàn)塑性鉸，則并不需要對軸壓比和約束箍筋提出嚴格的限制，即并不需要使柱處于延性較好的大偏壓狀態(tài)和使柱具有很強的轉動能力。這即是形成梁鉸機構。而如果控制柱的彎矩增強系數(shù)，使梁端出鉸較柱端出鉸較早、較多、轉動較大，柱端出鉸則相對較遲、較少、轉動較小。這即是“梁柱鉸機構”。此時，就需要對柱軸壓比提出一定的限制，使柱端的受力狀態(tài)處于大偏壓，同時，加強對塑性鉸區(qū)箍筋的約束，以提高塑性鉸的轉動能力，這樣就提高了柱端的延性能力，使之在所需要的塑性轉動下不至于被壓壞。所以，柱的彎矩增大系數(shù)越大，對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越低;彎矩增大系數(shù)越小，對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越高。

4 提高砼結構的抗震設防烈度措施，加強房屋抗震能力。國家制定的房屋設計原則是“小震不壞，中震可修，大震不倒”。對上海地區(qū)來說，小震、中震、大震分別指的是地震烈度的6度、7度和8度?！翱尚蕖笔侵阜课莩霈F(xiàn)破壞，如出現(xiàn)裂縫，但不影響房屋主體結構;“不倒”是指房屋主體結構被破壞，但沒有倒下，人們可獲得逃生機會。提高砼結構的抗震設防烈度措施:

4.1 對我國存在的量大面廣的磚混結構的房屋，規(guī)范規(guī)定要在適當部位設置一定數(shù)量的圈梁和構造柱，加強建筑物的空間剛度和整體性，使建筑物在地震中避免或減輕破壞。

4.2 提高房屋的抗震設防烈度。此次汶川地震中，震級為里氏8.0級，但烈度卻達到了10度到11度，而四川省建筑的抗震設防烈度為7度，此次地震已經(jīng)大大超出了建筑抗震設防標準。建議建設部適度上調(diào)房屋的抗震設防烈度。

4.3 提高高科技水平，加強對于地震等自然災害的預測能力。

在過去的20年，自然災害涉及到全球300多萬生命，影響到至少8億人，并導致的財產(chǎn)損失超過500億美元。最近發(fā)生在日本神戶的7.2級地震導致了超過5000人的死亡。在美國，沿密西西比峽谷的新馬德里斷層大地震在1812年據(jù)說震響了波士頓教堂的鐘聲，還讓密西西比河倒流3天。如果這個8.3級地震是沿著圣安德里亞斯斷層，據(jù)估計，死亡人數(shù)將超過2.5萬人，并有多達十萬受重傷。

目前人類還無法避免地震的發(fā)生。強烈的地震在瞬間即可造成地面及建筑物的大面積崩塌，從而會給人們帶來嚴重的災難。由于地震等自然災害的突發(fā)性及不可預見性。激勵著我們在房屋建筑方面采取積極必要的加固措施。提高混凝土結構的整體延性，提高混凝土結構的抗震設防烈度。從而使得將災害損失將到最低、及人民的人身生命及財產(chǎn)損失降到最低。隨著社會的不斷發(fā)展，科技水平的提高相信能使用先進的高科技新型材料或者先進的自然災害預測能力。