對鋼筋混凝土建筑結構現(xiàn)代抗震思路

1凝土建筑結構現(xiàn)代抗震思路及我國設計規(guī)范抗震設計方法的考慮結構彈性動力特征，也無詳細的地震作用記錄統(tǒng)計資料人們通過單自由度體系的彈性反應譜，第一次從宏觀上看到地震對彈性結構引起的反應隨結構周期和阻尼比變化的總體趨勢，揭示了結構在地震地面運動的隨機激勵下的強迫振動動力特征。但同時也發(fā)現(xiàn)一個無法解釋的矛盾，當時規(guī)范所取的設計用地面運動加速度明顯小于按彈性反應譜得出的作2用于結構上的地面運動加速度，這些結構大多數(shù)卻并未出現(xiàn)嚴重損壞和倒塌。后來隨著對結構非線性性能的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)設計結構時取的地震作用只是賦予結構一個基本屈服承載力，當發(fā)生更大地震時，結構將在一系列控制部位進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，也逐漸形成了使結構在一定水平的地震作用下進入屈服，并達到足夠的屈服后非彈性變形狀態(tài)構抗震設計思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗到基于非線性理論，從單純保證結構承載能力的“抗”到允許結構屈服，并賦予結構一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系要內(nèi)容是：1.合理選擇確定結構屈服水準的地震作用。一般先以一具有統(tǒng)計意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)降低系數(shù)）得到不同的設計用地面運動加速度（即小震基于對結構非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是3下，結構的屈服水準與自振周期以及最大非彈性動力反應間降低系數(shù)；而為最大非彈性曲線為理想彈塑性及彈性剛度始終不變的前提下，通過對不同周期，不同屈服水準的非彈性單自由度體系的體系適用“等位移法則”即非彈性反應下的最大位移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快。由以上規(guī)律我們可以看出，如果以結構彈則結構在與彈性反應時相同的地震作用下達到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。這意味著結構必須具有更高構，當其彈塑性屈服水準取值大小不同時，在同一地面運動輸入下屈服水準與所達到的最大非彈性位移之間的關系。也4揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準不高的結構在較大地震引起的非彈性動力反應中不致發(fā)生嚴重損壞和倒塌的主要原因。讓人們認識到延性在抗震設計中的重要性。之所以存在上訴的規(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，不會出現(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?，并傳入空氣中耗散掉。我們可以進一步以單質(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，體系進入屈服后狀態(tài)，則體系在平衡位置的動能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5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。隨著對規(guī)律認識的深入，這一規(guī)律已被各國規(guī)范所接受。在抗震設計時，對在同一烈度區(qū)的同一類結構，可以際上逐步形成了一套“多層次，多水準性態(tài)控制震理念。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)是由結構的性可修復的（repairable）、生命安全（lifesafe）、倒塌所期望的性態(tài)水準的表述。對建筑抗震設計應采用多重性態(tài)對一般結構、必要結構、對安全起控制作用的結構分別建議少遇地震下正常運作，罕遇地震下保證生命安全，極罕遇地6制作用的目標（罕遇地震下完全正常運作，極罕遇地震下正對甲方對建筑提出的不同抗震要求，選擇不同的性態(tài)目標。三.保證結構延性能力的抗震措施合理選擇了結構的屈服水準和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結構確實具有所需的延性能力，從而保證結構在中震、大震下實現(xiàn)抗震設防目標。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個方面內(nèi)容：1.“強柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達到最大非線性位移時塑性轉(zhuǎn)動較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達到最大非線性位移時塑性轉(zhuǎn)動較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩(wěn)定的塑性耗能機構和較大的塑一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結構抗震能因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點的組合剪力值，使結構能在大震下的交替非彈性變形中其任何構件都不會先發(fā)生剪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7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。首先，這兩種思路都是以優(yōu)耗能機構宜采用符合塑性力學中的“理想梁鉸機構”，即梁端全部形成塑性鉸，同時底層柱底也都形成塑性鉸的“全結構塑性機構”。其具體做法是通過結構分析得到各構件組合內(nèi)力值后，對梁端截面就按組合彎矩進行截面設計；而對除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進行設計；對底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進行截面設計。通過這一做法實現(xiàn)在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層柱底塑性鉸出現(xiàn)遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現(xiàn)塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機構”。為此，這種方法就必西蘭取的柱彎矩增強系數(shù)過大，根據(jù)經(jīng)驗取了較小的柱彎矩梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對較遲，梁端塑性鉸形成的較普遍，柱端塑性鉸形成的相對少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機構”。新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機構”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時因為除底層柱底外的其它柱端不出現(xiàn)塑性鉸，也就不必再對這些柱端加8更多的箍筋。但是這種思路過于受塑性力學形成理想機構概念的制約，總認為底層柱底應該形成塑性鉸，這樣就對底層柱底提出了較嚴格的軸壓比要求，同時還要用足夠多的箍筋來使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發(fā)生破壞很容易導致結構整體倒塌。這些不利因素使該方性力學的機構概念所限制，只要能在大震下實現(xiàn)以下的塑性性鉸耗能為主；2.不限制柱端塑性鉸出現(xiàn)（包括底層柱構的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機構”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學的“理想梁鉸機壞的發(fā)生，采取了“強剪弱彎”的措施來處理構件受彎能力壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。以梁構件在較大地震作用下，梁端形成交叉斜裂縫區(qū)，該區(qū)混凝土受斜裂縫分割，形成若干個菱形塊體，而且破碎會隨著延性增長而加劇。由于交叉斜裂縫與塑性鉸區(qū)基本重合，垂直和斜裂縫寬度都會隨延性而增大?？拐鹣赂鶕?jù)梁端的受力特征，9正剪力總是大于負剪力，正剪力作用下的剪壓區(qū)一般位于梁下部，但由于地震的往復作用，梁底的混凝土保護層可能已經(jīng)剝落，從而削弱了混凝土剪壓區(qū)的抗剪能力；交叉斜裂縫寬度比非抗震情況大，以及斜裂縫反復開閉，混凝土破碎更嚴重，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應退化；混凝土保護層剝落和裂縫的加寬又會使縱筋的銷栓作用有一定退化。可見，地震作用下，混凝土抗剪能力嚴重退化，但是試驗發(fā)現(xiàn)箍筋的抗剪能力仍可以維持。當?shù)卣鹱饔迷絹碓叫r，梁端可能不出現(xiàn)雙向斜裂縫，而出現(xiàn)單向斜裂縫，裂縫寬度發(fā)育也從大于非抗震情況到接近非抗震情況，抗剪環(huán)境越來越有利。此外，抗震抗剪要求結構構件應在大震下預計達到的非彈性變形狀態(tài)之前不發(fā)生剪切破壞。因為框架剪切破壞總是發(fā)生在梁端塑性鉸區(qū)，這就不僅要求在梁端形成塑性鉸前不發(fā)生剪切破壞，而且抗剪能力還要維持到塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動達到大震所要求的程度，這就需要更多的箍筋。同時，在梁端塑性變形過程中作用剪力并沒有明顯增大，也進一步說明這里增加的箍筋不是用來增大抗剪強度，而是為了提高構塑性區(qū)延性要求大小有關。我們可以采取以下公式來考慮抗震抗剪的強度公式：其中為混凝土抗剪能力，能力下降的折減系數(shù)，且隨著剪力作用環(huán)境、延性要求而改變。我國的抗震抗剪強度公式也以上面公式為基礎的，但是的規(guī)律不一致，較為粗略。延性對抗震來說是極其重要的一個性質(zhì)，我們要想通過抗震措施來保證結構的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。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(zhì)都是這兩個根本因素的延伸。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；混凝土強度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好（但如果混凝土強度過高可能會減小混凝土極限壓應變從凝土受壓區(qū)高度，減小延性；箍筋可以提高混凝土極限壓應變，從而提高延性，但對于高強度混凝土，受壓時，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，所以對于高強度混凝土，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)，提高構件抗剪能力的作用，因此箍筋對提高結構抗震性能具有相當重要的作用。根據(jù)以上規(guī)律，在抗震設計中為保證結構的延性，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，對柱子限制軸壓比等。四.我國抗震設計思路中的部分不足我國在學習借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎上，逐漸形成了自己的一套較為先進的抗震設計思路。其中大部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設計理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需存在一定的差距。歐洲和新西蘭規(guī)范按地震作用降低系數(shù)(?中震”的地面運動加速度與“小震”的地面運動加速度之比）來劃分延性等級，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美國UBC規(guī)范按同樣原則來劃分延性等級，但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級，在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級。這幾種抗震思路都是符合而且還把用于結構截面承載能力設計和變形驗算的小震賦予要是由烈度分區(qū)來決定的。這就導致同一個R對應了不同是不一致的。這種思路造成低烈度區(qū)的結構延性要求可能偏低的結果。另外，我國規(guī)定的“小震不壞，中震可修，并不都是恰當?shù)?。這種籠統(tǒng)的設防目標也不符合當今國際上的“多層次，多水準性態(tài)控制目標”思想，這種多性態(tài)目標思想提倡在建筑抗震設計中應靈活采用多重性態(tài)目標。甲類建筑指重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重此生災害的建由于不同類別建筑的不同重要性，不宜再籠統(tǒng)的使用以上同不同要求，選擇不同的設防目標，從而做到在性態(tài)目標的選內(nèi)力組合及截面設計的地震作用值。通常采用振型分解反應譜法，彈性時程分析方法來計算該地震作用值，這三種方法都是彈性分析方法。其中，底部剪力法最簡便，適用于質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻的結構。它的大致思路是通過估計結構的第一振型周期來確定地震影響系數(shù)，再結合結構的重力荷載來確定總的水平地震作用，然后按一定方式分配至各層進行結構設計。對較復雜的結構體系則宜采用振型分解反應譜法進行抗震計算，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。而對于特別不規(guī)則和特別重要的結構，常常需要進行彈性時程分析，該方法為直接動力分析方法。以上方法主要針對結構在地震作用下震性能進行分析是抗震研究的一項重要內(nèi)容，非線性時程分析，非線性靜力分析是目前常用的幾種抗震分析方法。其中針對結構非線性反應的非線性時程分析法（非線性動力反應面多彈簧模型上的方法，再到目前正在研究發(fā)展的建立面纖維滯回本構規(guī)律的纖維模型法，模擬的準確程度正在不斷提高。其基本思路是通過一系列數(shù)值方法建立和求解動力方程從而得到結構各個時刻的反應量。但由于對地震特點和結構特性所做的假設，其結果存在不確定性，其主要價值是用來考察地震作用下普遍的而非特定的反應規(guī)律，以及對抗震設計后的結構進行校核分析，評估其抗震性能。非線性靜抗震能力評估的新方法。這種方法從本質(zhì)上說是一種靜力非線性計算方法，但它將反應譜引入了計算過程和結果。其根本特征是用靜力荷載描述地震作用，在地震作用下考慮結構的彈塑