鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本抗震思想

1、Word文檔 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本抗震思想 地震災(zāi)難是人類面臨的嚴(yán)峻自然災(zāi)難之一。地震具有突發(fā)性的特點(diǎn)，至今可預(yù)報性仍舊很低。劇烈地震常造成人身和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。我國屬地震多發(fā)國家，需要考慮抗震設(shè)防的地域?qū)掗?，因此討論結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)理論是從五十年月開頭，在國際抗震理論的推動下進(jìn)展起來的，并漸漸形成了自己的特色。在積累了相當(dāng)?shù)挠懻摮晒蛯?shí)踐閱歷的基礎(chǔ)上，相繼制定了74 、78 、89 規(guī)范和新修訂的2021抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB5001122021）按2021 年規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑物的抗震力量較89 規(guī)范可提高10 %15 % ，其技術(shù)含量達(dá)到國際先進(jìn)水平。但

2、由于受國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的限制，平安牢靠度的設(shè)置仍低于美國等發(fā)達(dá)國家。 要想更好的執(zhí)行規(guī)范就必需明確抗震規(guī)范制定的基本思想，明確抗震設(shè)計(jì)的基本原則。下面著重從以下幾個方面做以闡述。 1 在地震作用下， 一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不行取，結(jié)構(gòu)的延性是特別重要的 地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震，50 年消失的概率大約為63 % ，重現(xiàn)期為50 年。中震是指50 年消失的概率約為10 % ，重現(xiàn)期為475 年。而大震指的是罕遇地震，50 年消失的概率為2 %3% ，重現(xiàn)期為16412475 年。對于偶然性和隨機(jī)性很大的地震荷載，要想使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度肯定大于結(jié)構(gòu)反應(yīng)，幾乎是不行能的，而且是非常不經(jīng)濟(jì)

3、的。受社會承受犧牲的力量和經(jīng)濟(jì)制約的因素，我們只能從概率的角度動身，使結(jié)構(gòu)在肯定的概率保證下能平安正常地發(fā)揮作用。這就打算了抗震設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可連續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來說，就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準(zhǔn)彈性反應(yīng)狀態(tài)，而不進(jìn)入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài)；同時結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)掌握在合理的限制范圍以內(nèi)，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。 中震也許相當(dāng)于我們的設(shè)防烈度地震，當(dāng)遭受到中震作用時，結(jié)構(gòu)可以有肯定程度的損壞，經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可連續(xù)使用。從經(jīng)濟(jì)角度來說，

4、修理費(fèi)用不能太高。 對發(fā)生概率微小的罕遇大震（“大震”的烈度比設(shè)防烈度約高一度左右） .要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭受“大震”作用時，不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)峻破壞。 這樣一個抗震設(shè)防目標(biāo)是特別經(jīng)濟(jì)合理的。由于地震的發(fā)生太偶然，倘使我們一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下，就要求結(jié)構(gòu)處于這樣一種狀況：當(dāng)小震來臨，應(yīng)確保全部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在反抗地震作用力時，具有足夠的強(qiáng)度，使其基本上處于彈性狀態(tài)。并通過驗(yàn)算小震作用下的彈性位移共同來保證結(jié)構(gòu)不壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)構(gòu)件

5、不會發(fā)生明顯的非線性變形，也不必需要實(shí)行特別的構(gòu)造措施。在中震作用下，結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位超過彈性強(qiáng)度，進(jìn)入屈服，發(fā)生較大變形，達(dá)到非線形階段，這時，我們就特殊提出延性要求（延性指當(dāng)?shù)卣鹌仁菇Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大的非線性變形時，結(jié)構(gòu)仍能維持其初始強(qiáng)度的力量，是結(jié)構(gòu)超過彈性階段的變形力量，它是結(jié)構(gòu)抗震力量強(qiáng)弱的標(biāo)志。它包括承受極大變形的力量和靠滯回特性汲取能量的力量，它是抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中一個特別重要的特性）。當(dāng)中震來臨的時候，由于結(jié)構(gòu)具有非彈性特征，某些關(guān)鍵部位超過其彈性強(qiáng)度，進(jìn)入塑性狀態(tài)。由于它有肯定的延性，它的非線性能夠擔(dān)當(dāng)塑性變形，使它在變形中能夠耗費(fèi) 和汲取地震能量。代價是可能導(dǎo)致較寬的裂縫，混凝土表皮

6、起殼、脫落，可能有肯定的殘余變形，但不至于導(dǎo)致平安失效，以達(dá)到中震可修的設(shè)防目標(biāo)。處于這個階段的結(jié)構(gòu)，對延性就會提出相應(yīng)的要求，而延性就要靠細(xì)心設(shè)計(jì)的細(xì)部構(gòu)造措施來保證。當(dāng)大震來臨的時候，結(jié)構(gòu)的非線性變形特別大，也可能發(fā)生不行修復(fù)的破壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)就需要通過計(jì)算它的彈塑性變形來保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。 所以，通常我們只需要按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合，驗(yàn)算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形。而中震作用效應(yīng)則需要結(jié)構(gòu)靠肯定的塑性變形力量（即延性） 來反抗。所以結(jié)構(gòu)延性對建筑抗震是極其重要的。 2 地震力降低系數(shù)的大小打算了設(shè)計(jì)地震力取值的大小，從而打算了對延性要求的大小 由上所述，用

7、于承載力設(shè)計(jì)的地震作用可以取到小震水平，當(dāng)更大的地震來臨的時候，則靠結(jié)構(gòu)的延性去反抗。所以，我們并不取用設(shè)防烈度地震作用力來進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)，而需要把設(shè)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(shè)計(jì)地震作用就取得越??；地震力降低系數(shù)取得越小，設(shè)計(jì)地震作用就取得越大。在同一個設(shè)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(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)就越低，意味著結(jié)構(gòu)在相應(yīng)劇烈程度地震下形成的非彈性變形就越大，這就要求結(jié)構(gòu)具有較大的延性來保證它較大的非彈性變形的實(shí)現(xiàn)，因而對延性提出的要求就更高。這一延性等級的結(jié)構(gòu)即為較低設(shè)計(jì)地震力取值2較高延性

8、要求的“高延性等級”結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)就越高，意味著結(jié)構(gòu)在相應(yīng)劇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(jié)構(gòu)具有較小的延性來保證它較小的非彈性變形的實(shí)現(xiàn)，因而對延性提出的要求就越低。這一延性等級的結(jié)構(gòu)即為較高設(shè)計(jì)地震力取值2較低延性要求的“低延性等級”結(jié)構(gòu)。同理，在同一個設(shè)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(jié)構(gòu)即為中等設(shè)計(jì)地震力取值2中等延性要求的“中等延性等級”結(jié)構(gòu)。這樣，地震力降低系數(shù)的大小實(shí)際上就打算了設(shè)計(jì)地震力取值的大小，從而打算了對延性要求的

9、大小。 中國規(guī)范規(guī)定把設(shè)防烈度地震作用降低約3 倍來進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)，即設(shè)防烈度地震作用反應(yīng)譜除以地震承載力降低系數(shù)3 ，而得到設(shè)計(jì)所用的反應(yīng)譜。并且中國規(guī)范按設(shè)防烈度從大到小對結(jié)構(gòu)延性提出了從高到低的要求，詳細(xì)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。這好像說明中國的地震力取值較高，因而并不需要對結(jié)構(gòu)提出高延性要求。其實(shí)不然，在對比了中國和西方國家的設(shè)防地震作用反應(yīng)譜曲線之后，我們發(fā)覺，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(yīng)譜水平下降低3 倍，跟西方在較高的反應(yīng)譜水平下降低5 倍，甚至更多之后的作用水平是相差不

10、多的，這就說明，中國對抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)提出相當(dāng)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 “力量設(shè)計(jì)法”已為各國普遍接受 通過力量設(shè)計(jì)法以選擇性質(zhì)不同的主要抗側(cè)力構(gòu)件，在地震作用影響產(chǎn)生大變形的狀況下，能夠形成較好的耗能機(jī)制。 為了使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震引起的動力反應(yīng)過程中表現(xiàn)出必要的延性，就必需通過力量設(shè)計(jì)法，使塑性變形更多地集中在比較簡單保證良好延性性能或者具有肯定延性力量的構(gòu)件上。力量設(shè)計(jì)法的詳細(xì)思路有三步： （1） 第一步是選擇一個可接受的塑性變形機(jī)構(gòu)。所選機(jī)構(gòu)的位移延性應(yīng)當(dāng)靠塑性鉸處最小非線性轉(zhuǎn)動來達(dá)到。一旦選定了合適的塑性變形機(jī)構(gòu)，就可以精確地確定能量耗散部位。力量設(shè)計(jì)

11、法在選擇塑性變形機(jī)構(gòu)的選擇上存在兩種不同的方案： 一種是“梁鉸機(jī)構(gòu)”。其詳細(xì)措施是人為地較大幅度增加柱端的抗彎力量，使除底層柱底以外的各柱端在較強(qiáng)地震作用下，原則上不進(jìn)入屈服后狀態(tài)，即不消失塑性鉸。由于柱端原則上不進(jìn)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(yán)格的軸壓比掌握條件，即不必肯定要把柱端的受力狀態(tài)掌握在離大、小偏心受壓界限狀態(tài)尚有肯定距離的延性較好的大偏心受壓狀態(tài)。這種機(jī)構(gòu)主要靠梁端出鉸來耗散地震能量。 另一種是“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”。其詳細(xì)措施是只在肯定程度上人為增大柱的抗彎力量，因此，從總體上說，柱端雖然與梁端相比相對較強(qiáng)，但在較強(qiáng)和很強(qiáng)地震作用下，柱端仍有可能進(jìn)入屈服，只

12、不過梁端消失塑性鉸的機(jī)會較多、較早，塑性轉(zhuǎn)動較大；柱端塑性鉸則消失相對較遲，塑性轉(zhuǎn)動相對較小。只要對柱的軸壓比掌握較嚴(yán)，使柱端不消失小偏心受壓和離大、小偏壓分界狀態(tài)過近的大偏心受壓狀況，再通過加強(qiáng)對柱端塑性鉸區(qū)的約束，就可以使柱端具有所需的、不非?？量痰乃苄赞D(zhuǎn)動力量（延性力量） 且不致壓潰。這種機(jī)構(gòu)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(shí)際上是提高了柱的強(qiáng)度，加強(qiáng)了柱的彈性變形力量。在實(shí)際配筋當(dāng)中，縱筋用量相對較多，箍筋用量相對較少。后者實(shí)際上是提高了柱的塑性變形力量，在實(shí)際配筋當(dāng)中，縱筋用量相對較少，箍筋用量相對較多。 中國規(guī)范選擇了其次個方案，即“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”。這即是我

13、們通常所說的“強(qiáng)柱弱梁”。為了實(shí)現(xiàn)力量設(shè)計(jì)方法中的強(qiáng)柱弱梁機(jī)構(gòu)，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(shí)際配筋反算出梁端可反抗彎矩，即實(shí)配彎矩乘以增大系數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)，并用增大后的彎矩值進(jìn)行柱端掌握截面的承載力設(shè)計(jì)。 （2） 其次步是要通過人為增大各類構(gòu)件的抗剪力量，使其不致在劇烈地震作用下，在結(jié)構(gòu)延性未發(fā)揮出來之前消失非延性的剪切破壞。這即是我們通常所說的強(qiáng)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(diǎn)處的組合剪力值，并用增大后的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行受剪掌握截面掌握條件，進(jìn)行驗(yàn)算和設(shè)計(jì)。詳細(xì)措施也有兩類。 一類是直接對一跨梁兩端截面

14、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(guān)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(shí)際配筋能夠反抗的彎矩，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(guān)系中求得梁端剪力。 （3） 第三步是通過相應(yīng)的構(gòu)造措施，保證可能消失塑性鉸的部位具有所需的塑性轉(zhuǎn)動力量和塑性耗能力量。通常通過箍筋加密，限制軸壓比等措施來賜予保證。 上述三個步驟所實(shí)行的措施是相互關(guān)聯(lián)的。其次步措施是第一步措施實(shí)現(xiàn)的前提和保障；由于只有塑性鉸區(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(zhuǎn)動。第一步措施要求較嚴(yán)，則第三步則可相對較弱。

15、反之，第一步的措施較松，則對第三步的要求就較嚴(yán)格。由于假如柱彎矩增加系數(shù)很大，大到能保證除底層以外的其它柱端都不消失塑性鉸，則并不需要對軸壓比和約束箍筋提出嚴(yán)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(qiáng)的轉(zhuǎn)動力量。這即是形成梁鉸機(jī)構(gòu)。而假如掌握柱的彎矩增加系數(shù)，使梁端出鉸較柱端出鉸較早、較多、轉(zhuǎn)動較大，柱端出鉸則相對較遲、較少、轉(zhuǎn)動較小。這即是“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”。此時，就需要對柱軸壓比提出肯定的限制，使柱端的受力狀態(tài)處于大偏壓，同時，加強(qiáng)對塑性鉸區(qū)箍筋的約束，以提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動力量，這樣就提高了柱端的延性力量，使之在所需要的塑性轉(zhuǎn)動下不至于被壓壞。所以，柱的彎矩增大系數(shù)越大，對軸

16、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 幾種基本抗震體系的性能 （1） 框架結(jié)構(gòu)體系：按上述的力量設(shè)計(jì)思路，通過合理設(shè)計(jì)，可以把框架結(jié)構(gòu)做成延性框架。延性框架在大震作用下，通過先消失梁鉸、后消失柱鉸這樣一種耗能機(jī)構(gòu)耗散大量的地震能量，結(jié)構(gòu)能夠承受肯定的側(cè)向變形。所以純框架結(jié)構(gòu)是一種抗震性能很好的結(jié)構(gòu)。但是我們同時也看到由于純框架的抗側(cè)剛度較小，造成的側(cè)移值比較大，因此建筑高度不宜太高。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件比如填充墻在地震作用下，也可能消失裂縫和破壞?？蚣芎吞畛鋲χg的硬性聯(lián)結(jié)造成的剛度增大效應(yīng)也可能造成設(shè)計(jì)上未考慮到的增大的側(cè)向力。如果是半高的填充

17、墻，還會導(dǎo)致形成短柱，剛度增大，承受很大的剪力，造成柱子的剪切破壞。 （2） 剪力墻結(jié)構(gòu)體系：剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力及剛度都很大，側(cè)移變形小，因此它的使用范圍可以比純框架結(jié)構(gòu)更高。適用于框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線形抗震性能的原理總體上也可以用于剪力墻，也可以把剪力墻設(shè)計(jì)成為延性剪力墻，也可以以穩(wěn)定的方式來耗散地震能量。但是，剪力墻中不論是墻肢還是連梁，它的截面的特點(diǎn)是短而高，這類構(gòu)件對剪切變形相當(dāng)敏感，簡單消失裂縫，簡單消失脆性的剪切破壞。因此需進(jìn)行細(xì)心合理的設(shè)計(jì)，才能夠使剪力墻具有良好的抗震性能和良好的延性力量。剪力墻的破壞形態(tài)與其剪跨比有很大關(guān)系，對剪跨比很小的矮墻，以剪切破壞形態(tài)為主，塑性變形力量很

18、差，所以在抗震結(jié)構(gòu)中應(yīng)避開采納矮墻。對于懸臂墻的能量耗散，主要是通過墻底出鉸來進(jìn)行的。而對于聯(lián)肢墻，經(jīng)過合理地設(shè)計(jì)開洞位置，使它的能量耗散機(jī)理與具有強(qiáng)柱弱梁的梁鉸機(jī)構(gòu)相像，形成強(qiáng)墻弱梁，即連梁梁端出鉸，墻底出鉸，而墻體的其它地方，均不消失塑性鉸。否則，如果連梁強(qiáng)于墻肢，則會消失與柱鉸機(jī)構(gòu)一樣的層變形機(jī)構(gòu)。對于較長的懸臂墻，通常通過人為開洞使之變成聯(lián)肢墻，由于懸臂墻作為靜定結(jié)構(gòu)，一旦有一個截面破壞失效，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效和倒塌，而聯(lián)肢墻則可設(shè)計(jì)成強(qiáng)墻弱梁，出鉸數(shù)目較多，耗能較大。同框架設(shè)計(jì)的強(qiáng)剪弱彎一樣，連梁及墻肢也需要通過“強(qiáng)剪弱彎”來提高其抗剪承載力量，推遲剪切破壞，從而改善其延性。但是受其自身截面特點(diǎn)的影響，構(gòu)件仍不能保證不發(fā)生剪切破壞，特殊是連梁，一般狀況下的一般配筋連梁很難實(shí)現(xiàn)高延性，設(shè)計(jì)時，必需特地實(shí)行措施轉(zhuǎn)變其性能。 （3） 框架2剪力墻結(jié)構(gòu)體系：是把框架和剪力墻結(jié)合在一起共同反抗豎向和水平荷載的一種體系，它利用剪力墻的高抗側(cè)力剛度和承載力，彌補(bǔ)