鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)
2008-11-05 00:00
| 摘要：通過對(duì)抗震設(shè)計(jì)思路發(fā)展歷程的分析和抗震設(shè)計(jì)思路的整理,提出一些簡(jiǎn)單保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震措施。 關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；強(qiáng)柱弱梁；強(qiáng)剪弱彎；措施 一、抗震設(shè)計(jì)思路發(fā)展歷程 隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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)力特征，也無(wú)詳細(xì)的地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下，經(jīng)驗(yàn)性的取一個(gè)地震水平作用（0.1倍自重）用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。到了60年代，隨著地面運(yùn)動(dòng)記錄的不斷豐富，人們通過單自由度體系的彈性反應(yīng)譜，第一次從宏觀上看到地震對(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)，揭示了結(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)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)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。后來隨著對(duì)結(jié)構(gòu)非線性性能的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)取的地震作用只是賦予結(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)將在一系列控制部位進(jìn)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(jīng)受地震作用。由此，也逐漸形成了使結(jié)構(gòu)在一定水平的地震作用下進(jìn)入屈服，并達(dá)到足夠的屈服后非彈性變形狀態(tài)來耗散能量的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論。 由以上可以看出，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)代抗震設(shè)計(jì)思路 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)容是： 1. 合理選擇確定結(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)弱標(biāo)志值，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)加速度來進(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)具備設(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）和抗震構(gòu)造措施。 設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)在同一烈度區(qū)的同一類結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)情況取用不同的R，也就是不同的用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地震作用。當(dāng)R取值較大，即用于設(shè)計(jì)的地震作用較小時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求就越嚴(yán)；反之，當(dāng)R取值較小，即用于設(shè)計(jì)的地震作用較大時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求就可放松。 三、保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震措施 合理選擇了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)確實(shí)具有所需的延性能力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容： 1. “強(qiáng)柱弱梁”：人為增大柱相對(duì)于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個(gè)較為穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)和較大的塑性耗能能力。 2. “強(qiáng)剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對(duì)于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，使結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中其任何構(gòu)件都不會(huì)先發(fā)生剪切破壞。 [Page] 3. 抗震構(gòu)造措施：通過抗震構(gòu)造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性。 延性對(duì)抗震來說是極其重要的一個(gè)性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對(duì)于梁柱等構(gòu)件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點(diǎn)：混凝土極限壓應(yīng)變，破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實(shí)質(zhì)都是這兩個(gè)根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越大，混凝土受壓區(qū)高度就越大，延性越差；受壓鋼筋越多，混凝土受壓區(qū)高度越小，延性越好；混凝土強(qiáng)度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好（但如果混凝土強(qiáng)度過高可能會(huì)減小混凝土極限壓應(yīng)變從而降低延性）；對(duì)柱子這類偏壓構(gòu)件，軸壓力的存在會(huì)增大混凝土受壓區(qū)高度，減小延性；箍筋可以提高混凝土極限壓應(yīng)變，從而提高延性，但對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，受壓時(shí)，其橫向變形系數(shù)較一般混凝土明顯偏小，箍筋的約束作用不能充分發(fā)揮，所以對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，不適于用加箍筋的方法來改善其延性。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，避免其發(fā)生局部壓屈失穩(wěn)，提高構(gòu)件抗剪能力的作用，因此箍筋對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有相當(dāng)重要的作用。根據(jù)以上規(guī)律，在抗震設(shè)計(jì)中為保證結(jié)構(gòu)的延性，常常采用以下措施：控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對(duì)柱子限制軸壓比等。 四、結(jié)語(yǔ) 我國(guó)在學(xué)習(xí)借鑒世界其他國(guó)家抗震研究成果的基礎(chǔ)上，逐漸形成了自己的一套較為先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)思路。其中大部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要我們今后加以完善。 其中，最值得我們注意的是，與國(guó)外規(guī)范相比，我國(guó)抗震規(guī)范還存在一定的差距。目前我國(guó)將地震作用降低系數(shù)統(tǒng)一取為2.86，而且還把用于結(jié)構(gòu)截面承載能力設(shè)計(jì)和變形驗(yàn)算的小震賦予一個(gè)固定的統(tǒng)計(jì)意義。對(duì)延性要求按抗震等級(jí)來劃分，抗震等級(jí)實(shí)質(zhì)又主要是由烈度分區(qū)來決定的。這種思路造成低烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)延性要求可能偏低的結(jié)果。 另外，我國(guó)規(guī)定的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)也存在一定的問題。該設(shè)防目標(biāo)對(duì)甲類、乙類、丙類這三類重要性不同的建筑來說，并不都是恰當(dāng)?shù)?。這種籠統(tǒng)的設(shè)防目標(biāo)也不符合當(dāng)今國(guó)際上的“多層次，多水準(zhǔn)性態(tài)控制目標(biāo)”思想，這種多性態(tài)目標(biāo)思想提倡在建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)靈活采用多重性態(tài)目標(biāo)。甲類建筑指重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重此生災(zāi)害的建筑，乙類建筑指地震時(shí)使用不能中斷或需要盡快修復(fù)的建筑，由于不同類別建筑的不同重要性，不宜再籠統(tǒng)的使用以上同一個(gè)性態(tài)目標(biāo)（設(shè)防目標(biāo)），此外，還應(yīng)該考慮建筑所有者的不同要求，選擇不同的設(shè)防目標(biāo)，從而做到在性態(tài)目標(biāo)的選擇上更加靈活。 參考文獻(xiàn)： [1] GBJ 11-89，建筑抗震規(guī)范[s]. [2] GB 50011-2001，建筑抗震規(guī)范[s]. [3] 鄭三鎖，薛建陽(yáng). 抗震分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社. [4] 龔思禮. 建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社. |
| 原作者： 孫勇 |
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