對鋼混結構現(xiàn)代抗震思路及我國設計規(guī)范抗震設計方法的理解和討論

1、對鋼混結構現(xiàn)代抗震思路及我國設計規(guī)范抗震設計方法的 理解和討論 1. R-蘆T關系及其應用 在二十世紀五十年代，當美國的權威人士GW.Houser導出了第一條地震反應譜和對地 震激勵下的彈性反應規(guī)律的研究很快被學術界接受后，人們很快發(fā)現(xiàn)了一個與當時的抗震設 計方法相矛盾的問題，那就是例如對一個第一振型周期為0.5s1.5s,阻尼比為0.05的結構， 結構地震反應加速度約為地面運動峰值加速度的1.52.5倍，比如賦予上述結構一個不大的 地面運動加速度 0.15g,則根據(jù)反應譜導出的結構反應加速度已達到0.23g0.375g，而世界各 國當時的設計規(guī)定中一般用來確定水平地震力大小的加速度只有0.0

2、4g0.15g，但讓人不解 是，震害表明，雖然設計用的反應加速度很小，但結構在地震中的損傷卻不太大。這么大的 差距是不能用安全性或設計誤差來解釋的，于是，各國的學術界加緊了對這一問題的研究， 大家通過對單自由度體系的屈服水準、自振周期（彈性）以及最大非彈性動力反應之間的關 系；同時還研究了當?shù)孛孢\動特征（包含場地土特征）不同時，給這種關系帶來的變化，我 們把這方面的研究工作關系其中R是指在一個地面運動下最大彈性反應力與非彈性反應屈 服力之間的比值，稱為彈塑性反應地震力降低系數(shù)，簡稱地震力降低系數(shù)或者反應調節(jié)系數(shù)； 為最大非彈性反應位移與屈服位移的比值，稱為位移延性系數(shù)；T則為按彈性剛度求得的

3、結構自振周期。研究表明，對于長周期（指彈性周期且T1.0s ）的結構可以適用等位移法 則”即彈性體系與彈塑性體系的最大位移反應總是基本相同的；而對于中周期（指彈性周期 且0.12sT0.5s）的結構，則適用于等能量法則”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。 之所以存在上訴規(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，而又維持承載力不會下降的屬性。 這樣就可以保證結構在進入較大非線性變形時，不會岀現(xiàn)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

4、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?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

5、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。 2我國現(xiàn)行抗震設計規(guī)范中的不足之處 抗震規(guī)范規(guī)定，我國的抗震設防目標必須堅持“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原 則，而建筑應根據(jù)其使用功能的重要性分為甲類、乙類、丙類、丁類四個抗震設防類別。甲 類建筑應屬于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑，地震作用應高于本地區(qū) 抗震設防烈度的要求，其值應按批準的地震安全性評價結果確定；抗震措施，當抗震設防烈 度為6-8度時，應符合本地區(qū)抗震設

6、防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗 震設防更高的要求。乙類建筑應屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑，抗震措 施，一般情況下，當抗震設防烈度為 6-8度時，應符合本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求， 當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。 丙類建筑應屬于甲、 乙、丁類以外的一般 建筑，地震作用和抗震措施應符合本地區(qū)抗震設防烈度的要求。我們知道，一棟建筑在大震 下能否不倒，已經(jīng)不是看其承載力的大了了，而是看它的延性是否能夠到達設計要求。由上 面的建筑物抗震類別劃分可以看出，我們對甲、乙、丙、丁建筑物延性的要求是依次從高到 低的，此時，結構的延性實際上是由其抗震措施來決定

7、的，現(xiàn)以一棟乙類建筑和丙類建筑為 例： 設防烈度 抗震措施烈度 實際延性 6 7 (6) 低 7 8 (7) 中等 8 9 (8) 稍高 9 比9度咼（9） 高 說明：在抗震措施烈度中，括號外為乙類建筑，括號內的為丙類建筑。 由表1可以看出，如果按規(guī)范設計，就可能會出現(xiàn)9度（設防烈度）下的丙類建筑的延 性比7度（設防烈度）下的乙類建筑延性還要高的情況出現(xiàn)，而根據(jù)上面所述的 R-蘆T理論 關系的研究可以知道，當R取值不變時，對結構的延性要求也應該是不變的，與處在什么 烈度區(qū)沒有關系，如果 R-卩-T理論關系的研究結果是正確的，那么我國規(guī)范對甲、乙、丙三 類建筑的要求就存在概念性矛盾。 我國取R=

8、 3.33，與國外規(guī)范相比較，我們對乙類和丙類建筑的是比較合理，而對于甲類建 筑則過于偏松，對丁類建筑過于嚴格了。 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(xiàn)（ damage on set）、正常運作（operati on al）、能繼續(xù)居?。?coun ti nued occupa n cy）、可修復的（repairable） 生命安全（life safe）、倒塌（collapse）

9、。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)目標一基本目標（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，相當與中國的丙類建筑）、 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， 相當與中國的乙類建筑）、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，相當與中國的甲類建筑），目前中國正在進行用地震動參數(shù)區(qū)劃分圖代替基

10、本烈度區(qū)畫圖的工作。 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，也可以針對業(yè)主對建筑提出的不同抗震要求 2. 鋼筋混凝土結構的核心抗震措施 我國抗震設計對鋼筋混凝土結構提出的基本上是“高延性要求”，也就是要求結構在較 大的屈服后塑性變形狀態(tài)下仍保持其豎向荷載和抗水平力的能力，對于有較高延性要求的鋼 筋混凝土結構必須使用能力設計法進行有關設計?！澳芰υO計法”的要求是在設計地震力取 值偏低的情況下，結構具有足夠的延性能力， 具體做法是通過合理設計使柱端抗彎能力大于 梁端從而使結構在地震作用下形成“梁鉸機構”，即塑性變形或塑性鉸出現(xiàn)在比較容易保證 具

11、有較大延性能力的梁端； 通過相應提高構件端部和節(jié)點的抗剪能力以避免構件發(fā)生非延性 的剪切破壞。其核心是： (1) 強柱弱梁”措施：主要是通過人為增大相對于梁的抗彎能力，使塑性鉸更多的出現(xiàn) 在柱端而不是梁端，讓結構在地震引起的動力反應中形成梁鉸機構”或梁柱鉸機構:通過 框架梁的塑性變形來耗散地震能量。 “強柱弱梁”措施是“能力設計法”的最主要的內容。 根據(jù)對構件在強震下非線線動力分析可知，強震下，由于構件產(chǎn)生塑性變形，因此可 以耗散部分地震能量， 同時根據(jù)桿系結構塑性力學的分析知道，在保證結構不形成機構的要 求下，“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”相對與“柱鉸機構”而言，能夠形成更多的塑性鉸， 從而能

12、耗散更多的地震能量，因此我們需要加強柱的抗彎能力，引導結構在強震下形成更優(yōu)、 更合理的“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”。 這一套抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對于耗能機構卻出現(xiàn)了以新西蘭和美國 為代表的兩種不完全相同的思路。這兩種思路都承認應該優(yōu)先引導梁端出塑性鉸，但是雙方 對柱端塑性鉸出現(xiàn)的位置和數(shù)量有分歧。 新西蘭追求理想的梁鉸機構，規(guī)范中底層柱的彎距增大系數(shù)比其它柱的彎距增大系數(shù)要 小一些，這么做的目的是希望在強震下，梁端塑性鉸形成較為普遍，底層柱塑性鉸的出現(xiàn)比 梁端塑性鉸遲，而其余所有的柱截面在大震下不出現(xiàn)塑性鉸的“梁鉸機構”。但是新西蘭人 也不認為他們的理想梁鉸方案是唯一可用的方法

13、，因此他們在規(guī)范中規(guī)定可以選用兩種方 法，一種是上述的理想梁鉸機構法，另一種就是類似與美國的方法。 美國規(guī)范的做法則希望在強震下塑性鉸出現(xiàn)較早， 柱端塑性鉸形成較遲，梁端塑性鉸形 成得較普遍，柱端塑性鉸可能要形成得要少一些的“梁-柱塑性鉸機構” (柱端塑性鉸可以 在任何位置形成，這一點是與新西蘭規(guī)范的做法是不同的) 。中國規(guī)范和歐洲 EC8規(guī)范也是 采用與美國類似的方法。 (2) 強剪弱彎”措施：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)點中的組合剪力值，并用增大后的剪力設計值進行受剪截面控制條件驗算和受剪 承載力設計，以避免在結構出現(xiàn)脆性的剪切破壞。 我們在上學期學

14、過，鋼筋混凝土的抗剪能力由混凝土自身的抗剪能力、 裂縫界面的骨料 咬合力、縱筋銷栓力和箍筋的拉力4部分構成，而通過對框架梁在強震下的抗剪分析可知, 混凝土的梁端抗剪能力在形成塑性鉸后會比非抗震時有所下降，主要原因有幾下幾個： 1由結構力學和材料力學的分析可知，梁端總是正剪力大于負剪力， 如果發(fā)生剪切破壞 時，剪壓區(qū)一般都在梁的下部，而此時混凝土保護層已經(jīng)剝落，且梁下端又沒有現(xiàn)澆板，所 以混凝土剪壓區(qū)的抗剪能力會比非抗震時偏低 2由于在強震下剪切破壞要發(fā)生在塑性鉸充分轉動的情況下，而非抗震時的剪切破壞 往往發(fā)生在縱筋屈服之前，因此在抗震條件下混凝土的交叉裂縫寬度會比非抗震情況偏大， 從而使斜裂縫

15、界面中的骨料咬合效應慢慢退化，加之斜裂縫反復開閉，混凝土體破壞更嚴重, 這使得混凝土的抗剪能力進一步被削弱。 3混凝土保護層的剝落和裂縫的加寬又會使縱筋的抗剪銷栓作用有所退化。 我們一般在計算鋼筋混凝土的抗剪能力時，只計算了混凝土自身的抗剪能力和箍筋的 抗剪能力(V = Vc+Vsv),而把斜裂縫界面中的骨料咬合能力及縱筋的銷栓作用作為它多余的 強度儲備。在抗震下梁端的塑性鉸的形成，使得骨料咬合力及縱筋的銷栓作用有所下降，鋼 筋混凝土的抗剪強度儲備也會下降，同時由于混凝土的抗剪能力(V c)的下降，V也會比非抗 震時小，如果咬使 V不變，那么就只有使 Vsv變大，即增加箍筋用量，所以我們可以得

16、出這 樣的結論，在抗震情況下箍筋用量比非抗震時要大一些，這不是因為地震使梁的剪力變大了 而增加箍筋用量，而是由于混凝土項的抗剪能力下降，相應的必須加大箍筋用量。其他構件 的原理也相似。 (3) 抗震構造措施：通過相應構造措施保證可能出現(xiàn)塑性鉸的部位具有所需足夠的延 性，具體來說就是塑性轉動能力和塑性耗能能力。 對于梁柱等構件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應變，破 壞時的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實質都是這兩個根本因素的延伸。 對于梁而言，無論是對不允許柱出現(xiàn)塑性鉸(底層柱除外)的新西蘭方案，還是允許柱 出現(xiàn)塑性鉸但控制其出現(xiàn)時間和程度的方案，梁端始終都是引導出現(xiàn)塑性

17、鉸的主要部位，所 以都希望梁端的塑性變形有良好的延性(即不喪失基本抗彎能力前提下的塑性變形轉動能 力)和良好的塑性耗能能力。因此除計算上滿足一定的要求外，還要通過的一系列嚴格的構 造措施來滿足梁的這種延性，如： 1控制受拉鋼筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率， 前者是為了使受拉鋼 筋屈服時的混凝土受壓區(qū)壓應變與梁最終破壞時的極限壓應變還有一定的差距(梁的最終破 壞一般都以受壓區(qū)混凝土達到極限壓應變，混凝土被壓碎為標志的)；后者是保證梁不會在 混凝土受拉區(qū)剛開裂時鋼筋就屈服甚至被拉斷。 減小受壓區(qū)高度，另外在大 2保證梁有一定的受壓鋼筋。受壓鋼筋可以分擔部分剪力, 震下，梁端可能出現(xiàn)正

18、彎距，下部鋼筋有可能受拉，。 3保證箍筋用量，用法。箍筋的作用有三個，一是抗剪，這在前文已經(jīng)說過，這里不再 充分；二是規(guī)定箍筋的最小直徑， 保證縱筋在受壓下不會過早的局部失穩(wěn)；三是通過箍筋約 束受壓混凝土，提高其極限壓應變和抗壓強度。 4對截面尺寸有一定的要求。規(guī)范規(guī)定框架梁截面尺寸宜符合下列要求：1截面寬度 不宜小于200mm； 2截面高度與寬度的比值不宜大于4； 3凈跨與截面高度的比值不宜大 于4。在施工中，如梁寬度太小，而梁上部鋼筋一般都比較多，會使混凝土的澆注比較困難， 容易造成混凝土缺陷；在震害和試驗中多次發(fā)生過腹板較薄的梁側向失穩(wěn)的事例，因此提出 要求了 2 ;一般我們把跨高比小于

19、 5的梁稱為深梁，深梁的抗彎和抗剪機理與一般的梁（跨 高比大于5的梁）有所不同，所以我們在設計中最好能避免設計成深梁，如果實在不能避免， 就要去看專門的設計方法和規(guī)造措施。 柱的構造措施也和梁差不多，但是柱除了受彎距和剪力以外，還要承受軸力（梁的軸力 一般都很小，在設計中都不予以考慮），尤其是高層建筑，軸力就更大了，所以柱還有對軸 壓比的限制，其中對不同烈度下有著不同延性要求的結構有著不同的軸壓比限值；另外，柱 端箍筋用量的控制條件不是簡單的用體積配箍率，而是用配箍特征值，它同時考慮了箍筋強 度等級和混凝土強度等級對配箍量的影響。 高強度混凝土（ C60以上）的極限壓應變都比一般混凝土（C60

20、及其以下）要小一些， 而且強度越高，小的越多；另外，強度越高，混凝土破壞時脆性特征越明顯，這些對于抗震 來說是不利的。 3 常用的抗震分析方法 結構抗震設計的首要任務就是是對結構最大地震反應的分析，以下是一些常用的抗震分 析方法： 1 底部剪力法 底部剪力法實際上時振型分解反應譜法的一種簡化方法。它適用于高度不超過40m，結 構以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的框架結構，此時假設結構的地震反應 將以第一振型為主且結構的第一振型為線性倒三角形，通過這兩個假設，我們可近似的 算出每個平面框架各層的地震水平力之和，即底部剪力”此方法簡單，可以采用手算的方 式進行，但精確度不高。 2. 振型分解反應譜法 振型分解反應譜法的理論基礎是地震反應分析的振型分解法及地震反應譜概念，它的思 路是根據(jù)振型疊加原理， 將多自由度體系化為一系列單自由度體系的疊加，將各種振型對應 的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結構總的地震作用、作用效應。此法計算精 度高，但計算量大