對鋼混結(jié)構(gòu)現(xiàn)代抗震思路及我國設(shè)計規(guī)范抗震設(shè)計方法的理解和討論

對鋼混結(jié)構(gòu)現(xiàn)代抗震思路及我國設(shè)計規(guī)范抗震設(shè)計方法的理解和討論

摘要這是我們研二抗震課的論文，寫了一些上白紹良老師課的心得，老師的博學(xué)與人品讓我欽佩不已。這些都是從他的講義上摘錄的一些在一般的書籍中看不到的，最前沿的一些東西。

關(guān)鍵詞抗震規(guī)范

1．R-μ-T關(guān)系及其應(yīng)用在二十世紀(jì)五十年代，當(dāng)美國的權(quán)威人士導(dǎo)出了第一條地震反應(yīng)譜和對地震激勵下的彈性反應(yīng)規(guī)律的研究很快被學(xué)術(shù)界接受后，人們很快發(fā)現(xiàn)了一個與當(dāng)時的抗震設(shè)計方法相矛盾的問題，那就是例如對一個第一振型周期為~,阻尼比為的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)加速度約為地面運動峰值加速度的~倍，比如賦予上述結(jié)構(gòu)一個不大的地面運動加速度,則根據(jù)反應(yīng)譜導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度已達(dá)到~，而世界各國當(dāng)時的設(shè)計規(guī)定中一般用來確定水平地震力大小的加速度只有~，但讓人不解是，震害表明，雖然設(shè)計用的反應(yīng)加速度很小，但結(jié)構(gòu)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(shè)計誤差來解釋的，于是，各國的學(xué)術(shù)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(zhǔn)、自振周期以及最大非彈性動力反應(yīng)之間的關(guān)系；同時還研究了當(dāng)?shù)孛孢\動特征不同時，給這種關(guān)系帶來的變化，我們把這方面的研究工作關(guān)系其中R是指在一個地面運動下最大彈性反應(yīng)力與非彈性反應(yīng)屈服力之間的比值，稱為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡稱地震力降低系數(shù)或者反應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)；μ為最大非彈性反應(yīng)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結(jié)構(gòu)自振周期。研究表明，對于長周期的結(jié)構(gòu)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(yīng)總是基本相同的；而對于中周期的結(jié)構(gòu)，則適用于“等能量法則”，即非彈性反應(yīng)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(yīng)該注意到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一些相關(guān)特性。首先，通過人為措施可以使結(jié)構(gòu)具有一定的延性，即結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在進(jìn)入較大非線性變形時，不會出現(xiàn)因強度急劇下降而導(dǎo)致的嚴(yán)重破壞和倒塌，從而使結(jié)構(gòu)在非線性變形狀態(tài)下耗能成為可能。其次，作為非線彈性材料的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在一定的外力作用下，結(jié)構(gòu)將從彈性進(jìn)入非彈性狀態(tài)。在非彈性變形過程中，外力做功全部變?yōu)闊崮埽魅肟諝庵泻纳⒌?。我們可以進(jìn)一步以單質(zhì)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(fù)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(zhuǎn)換，但總量保持不變。如果某次振動過大，體系進(jìn)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(zhuǎn)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(fù)作用下，結(jié)構(gòu)在振動過程中，如果進(jìn)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(jié)構(gòu)的累積能量，從而減小地震反應(yīng)。同時，實際結(jié)構(gòu)存在的阻尼也會進(jìn)一步耗散能量，減小地震反應(yīng)。此外，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)后，其側(cè)向剛度將明顯小于彈性剛度，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)范中的不足之處抗震規(guī)范規(guī)定，我國的抗震設(shè)防目標(biāo)必須堅持“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則，而建筑應(yīng)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(shè)防類別。甲類建筑應(yīng)屬于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑，地震作用應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，其值應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評價結(jié)果確定；抗震措施，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6-8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當(dāng)為9度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。乙類建筑應(yīng)屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑，抗震措施，一般情況下，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6-8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當(dāng)為9度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。丙類建筑應(yīng)屬于甲、乙、丁類以外的一般建筑，地震作用和抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)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(dá)設(shè)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(jié)構(gòu)的延性實際上是由其抗震措施來決定的，現(xiàn)以一棟乙類建筑和丙類建筑為例：表1

設(shè)防烈度抗震措施烈度實際延性67低78中等89稍高9比9度高高說明：在抗震措施烈度中，括號外為乙類建筑，括號內(nèi)的為丙類建筑。由表1可以看出，如果按規(guī)范設(shè)計，就可能會出現(xiàn)9度下的丙類建筑的延性比7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-μ-T理論關(guān)系的研究可以知道，當(dāng)R取值不變時，對結(jié)構(gòu)的延性要求也應(yīng)該是不變的，與處在什么烈度區(qū)沒有關(guān)系，如果R-μ-T理論關(guān)系的研究結(jié)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＝，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(yán)格了。目前，國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。這一理念主要含義為：工程師應(yīng)該選擇合適的形態(tài)水準(zhǔn)和地震荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。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。目前性態(tài)水準(zhǔn)一般分為：損傷出現(xiàn)、正常運作、能繼續(xù)居住、可修復(fù)的、生命安全、倒塌。性態(tài)目標(biāo)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(zhǔn)的表述。對建筑抗震設(shè)計應(yīng)采用多重性態(tài)目標(biāo)，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(jié)構(gòu)、必要結(jié)構(gòu)、對安全起控制作用的結(jié)構(gòu)分別建議了相應(yīng)的性態(tài)目標(biāo)―基本目標(biāo)、必要目標(biāo)、對安全其控制作用的目標(biāo)，目前中國正在進(jìn)行用地震動參數(shù)區(qū)劃分圖代替基本烈度區(qū)畫圖的工作。對重要性不同的建筑，如協(xié)助進(jìn)行災(zāi)害恢復(fù)行動的醫(yī)院等建筑，應(yīng)該按較高的性態(tài)目標(biāo)設(shè)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(jié)構(gòu)的核心抗震措施我國抗震設(shè)計對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提出的基本上是“高延性要求”，也就是要求結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)必須使用能力設(shè)計法進(jìn)行有關(guān)設(shè)計?！澳芰υO(shè)計法”的要求是在設(shè)計地震力取值偏低的情況下，結(jié)構(gòu)具有足夠的延性能力，具體做法是通過合理設(shè)計使柱端抗彎能力大于梁端從而使結(jié)構(gòu)在地震作用下形成“梁鉸機構(gòu)”，即塑性變形或塑性鉸出現(xiàn)在比較容易保證具有較大延性能力的梁端；通過相應(yīng)提高構(gòu)件端部和節(jié)點的抗剪能力以避免構(gòu)件發(fā)生非延性的剪切破壞。其核心是：“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(jié)構(gòu)在地震引起的動力反應(yīng)中形成“梁鉸機構(gòu)”或“梁柱鉸機構(gòu)”，通過框架梁的塑性變形來耗散地震能量?！皬娭趿骸贝胧┦恰澳芰υO(shè)計法”的最主要的內(nèi)容。根據(jù)對構(gòu)件在強震下非線線動力分析可知，強震下，由于構(gòu)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(jié)構(gòu)塑性力學(xué)的分析知道，在保證結(jié)構(gòu)不形成機構(gòu)的要求下，“梁鉸機構(gòu)”或“梁柱鉸機構(gòu)”相對與“柱鉸機構(gòu)”而言，能夠形成更多的塑性鉸，從而能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(dǎo)結(jié)構(gòu)在強震下形成更優(yōu)、更合理的“梁鉸機構(gòu)”或“梁柱鉸機構(gòu)”。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(gòu)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(rèn)應(yīng)該優(yōu)先引導(dǎo)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(gòu)，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(gòu)”。但是新西蘭人也不認(rèn)為他們的理想梁鉸方案是唯一可用的方法，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(gòu)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(gòu)”。中國規(guī)范和歐洲EC8規(guī)范也是采用與美國類似的方法?！皬娂羧鯊潯贝胧河眉袅υ龃笙禂?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(shè)計值進(jìn)行受剪截面控制條件驗算和受剪承載力設(shè)計，以避免在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性的剪切破壞。我們在上學(xué)期學(xué)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(gòu)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(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的分析可知，梁端總是正剪力大于負(fù)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(hù)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(zhuǎn)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，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應(yīng)慢慢退化，加之斜裂縫反復(fù)開閉，混凝土體破壞更嚴(yán)重，這使得混凝土的抗剪能力進(jìn)一步被削弱。3混凝土保護(hù)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，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(Vc)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，所以我們可以得出這樣的結(jié)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(yīng)的必須加大箍筋用量。其他構(gòu)件的原理也相似?？拐饦?gòu)造措施：通過相應(yīng)構(gòu)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(zhuǎn)動能力和塑性耗能能力。對于梁柱等構(gòu)件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應(yīng)變，破壞時的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實質(zhì)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(dǎo)出現(xiàn)塑性鉸的主要部位，所以都希望梁端的塑性變形有良好的延性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(yán)格的構(gòu)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(yīng)變與梁最終破壞時的極限壓應(yīng)變還有一定的差距；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。2保證梁有一定的受壓鋼筋。受壓鋼筋可以分擔(dān)部分剪力，減小受壓區(qū)高度，另外在大震下，梁端可能出現(xiàn)正彎距，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(yīng)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(cè)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5的梁稱為深梁，深梁的抗彎和抗剪機理與一般的梁有所不同，所以我們在設(shè)計中最好能避免設(shè)計成深梁，如果實在不能避免，就要去看專門的設(shè)計方法和規(guī)造措施。柱的構(gòu)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，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(jié)構(gòu)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。高強度混凝土的極限壓應(yīng)變都比一般混凝土要小一些，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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要任務(wù)就是是對結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)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(yīng)譜法的一種簡化方法。它適用于高度不超過40m，結(jié)構(gòu)以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的框架結(jié)構(gòu)，此時假設(shè)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)將以第一振型為主且結(jié)構(gòu)的第一振型為線性倒三角形，通過這兩個假設(shè)，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(jìn)行，但精確度不高。2．振型分解反應(yīng)譜法振型分解反應(yīng)譜法的理論基礎(chǔ)是地震反應(yīng)分析的振型分解法及地震反應(yīng)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(yīng)的地震作用、作用效應(yīng)以一定方式疊加起來得到結(jié)構(gòu)總的地震作用、作用效應(yīng)。此法計算精度高，但計算量大，必須通過計算機來計算。3