鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)代抗震思路和理念的思考

張 翔

(江西科力工程檢測(cè)有限公司，江西 南昌 330096)

一、抗震設(shè)計(jì)思路發(fā)展歷程

隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震理論研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震思路也經(jīng)歷了一系列的變化。最初，在未考慮結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力的特征，也無(wú)詳細(xì)地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下，經(jīng)驗(yàn)性地取一個(gè)地震水平作用(0.1倍自重)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。至60年代，隨著地面運(yùn)動(dòng)記錄的不斷豐富，人們利用單自由度體系的彈性反應(yīng)譜，第一次從宏觀上看到了地震對(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)，發(fā)現(xiàn)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)了一個(gè)無(wú)法解釋的矛盾，當(dāng)時(shí)規(guī)范所取的設(shè)計(jì)是用地面運(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)非線性性能的不斷深化研究，人們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)取的地震作用只是賦予了結(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)的部位進(jìn)入屈服后非彈性狀態(tài)變形，并依靠其屈服后的非彈性變形能力來(lái)經(jīng)受地震作用。由此，逐漸形成了結(jié)構(gòu)在一定水平的地震作用下進(jìn)入屈服，并達(dá)到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)思路。

由以上可以得出，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)代國(guó)際抗震設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)述

現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路是基于對(duì)結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究上建立起來(lái)的，其核心主要是指在不同滯回規(guī)律和地面運(yùn)動(dòng)特征下，結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)與自振周期和最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)間的關(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)容包括：

1.合理選擇結(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)弱的標(biāo)志值(即中震)，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)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)具有設(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)和抗震的構(gòu)造措施。

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。這一理念的主要含義是：工程師應(yīng)該選擇合適的形態(tài)水準(zhǔn)和地震荷載來(lái)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。當(dāng)前性態(tài)水準(zhǔn)一般分為：損傷出現(xiàn)、正常運(yùn)作、能繼續(xù)居住、可修復(fù)的、生命安全和倒塌。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)，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，針對(duì)甲方對(duì)建筑提出的不同抗震要求，應(yīng)選擇不同的性態(tài)目標(biāo)。

三、當(dāng)前我國(guó)抗震設(shè)計(jì)理念現(xiàn)狀

我國(guó)《建筑抗震規(guī)范》(GB50011-2010)對(duì)建筑的抗震設(shè)防提出“三水準(zhǔn)、兩階段”的要求，“三水準(zhǔn)”即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。當(dāng)遭遇第一設(shè)防烈度地震即低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段，建筑物處于正常使用狀態(tài)。建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此，要求建筑結(jié)構(gòu)滿足多遇地震作用下的承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算，要求建筑的彈性變形不超過(guò)規(guī)定的彈性變形限值。當(dāng)遭遇第二設(shè)防烈度地震即相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的基本烈度地震時(shí)，結(jié)構(gòu)屈服進(jìn)入非彈性變形階段，建筑物可能出現(xiàn)一定程度的破壞，但經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。因此，要求結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有阅芰Σ话l(fā)生不可修復(fù)的脆性破壞，當(dāng)遭遇第三設(shè)防烈度地震即高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)雖然破壞較重，但結(jié)構(gòu)的非彈性變形離結(jié)構(gòu)的倒塌尚有一段距離。不致倒塌或者發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞，從而保障了人員的安全。因此，要求建筑具有足夠的變形能力，其彈塑性變形不超過(guò)規(guī)定的彈塑性變形限值。三個(gè)水準(zhǔn)烈度的地震作用水平，按三個(gè)不同超越概率(或重現(xiàn)期)來(lái)區(qū)分的：

多遇地震：50年超越概率63.2%，重現(xiàn)期50年；

設(shè)防烈度地震(基本地震)：50年超越概率10%，重現(xiàn)期475年；

罕遇地震：50年超越概率2%-3%，重現(xiàn)期1641-2475年，平均約為2000年。

對(duì)建筑抗震的三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防要求，是通過(guò)“兩階段”設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其方法步驟如下：

第一階段：第一步采用與第一水準(zhǔn)烈度相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，先計(jì)算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風(fēng)、重力荷載效應(yīng)組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，從而滿足第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求；第二步是采用同一地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的層間位移角，使其不超過(guò)抗震規(guī)范所規(guī)定的限值；同時(shí)采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動(dòng)滿足第二水準(zhǔn)的變形要求。

第二階段：采用與第三水準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié))的彈塑性層間位移角，使之小于抗震規(guī)范的限值。并采用必要的抗震構(gòu)造措施，從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。

四、結(jié)論與展望

從現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路提出至今，世界各國(guó)的抗震學(xué)術(shù)界和工程界也不斷取得了許多可喜進(jìn)展，各種先進(jìn)可行的抗震分析方法也不斷涌現(xiàn)在研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域。比如大量鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn)的進(jìn)行；通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)編制了更精準(zhǔn)的非線性動(dòng)力反應(yīng)程序；在設(shè)計(jì)方法上也不再拘泥于傳統(tǒng)單一的基于力的抗震設(shè)計(jì)方法，開(kāi)始嘗試基于性能和位移的新的抗震設(shè)計(jì)理念等等。我國(guó)也應(yīng)積極借鑒國(guó)內(nèi)外的寶貴經(jīng)驗(yàn)和研究成果，結(jié)合當(dāng)前實(shí)際，在完善自身不足的同時(shí)，不斷推動(dòng)我國(guó)抗震設(shè)計(jì)出品位上水平。

[1]蘇幼坡，張玉敏.從汶川地震看提高建筑結(jié)構(gòu)防塌能力的必要性和可行性[J].土木工程學(xué)報(bào).2009，42(5).

[2]郭勁.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)探討[J].建筑安全.2009(09).

[3]劉莉.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震思路的創(chuàng)新[J].建材技術(shù)與應(yīng)用.2012(03).

[4]何小銀.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)概念的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用[J].四川建筑.2008(01).

[5]喬建斌.淺談建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì).2007(33).

[6]任福民.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計(jì)[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào).2006(01).