鋼筋混凝土抗震研究論文

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摘要：結構主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形,因此,地震作用下,結構的延性與結構的強度具有同等重要的意義。地震力降低系數對設防烈度地震作用的整體降低實際上決定了結構的屈服水準和對結構延性需求的大小。目前,能力設計法已為各國普遍接受,通過能力設計法,形成合理的耗能機制,使塑性鉸出現在延性易于保證的部位;確保結構在未達到所需要的延性前不至于發生剪切失效;并通過細部構造措施來保證延性的充分發揮。

關鍵詞：地震強度延性地震力降低系數

地震災害是人類面臨的嚴重自然災害之一。地震具有突發性的特點,至今可預報性仍然很低。強烈地震常造成人身和財產的巨大損失。我國屬地震多發國家,需要考慮抗震設防的地域遼闊,因此研究結構的抗震性能在我國具有充分的必要性。

我國的現代抗震設計理論是從五十年代開始,在國際抗震理論的推動下發展起來的,并逐漸形成了自己的特色。在積累了相當的研究成果和實踐經驗的基礎上,相繼制定了74、78、89規范和新修訂的2001抗震設計規范(GB5001122001)按2001年規范設計的建筑物的抗震能力較89規范可提高10%～15%,其技術含量達到國際先進水平。但由于受國家經濟實力的限制,安全可靠度的設置仍低于美國等發達國家。

要想更好的執行規范就必須明確抗震規范制定的基本思想,明確抗震設計的基本原則。下面著重從以下幾個方面做以闡述。

1在地震作用下,一味地追求結構的強度并不可取,結構的延性是非常重要的

地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震,50年出現的概率大約為63%,重現期為50年。中震是指50年出現的概率約為10%,重現期為475年。而大震指的是罕遇地震,50年出現的概率為2%～3%,重現期為1641～2475年。對于偶然性和隨機性很大的地震荷載,要想使結構強度一定大于結構反應,幾乎是不可能的,而且是十分不經濟的。受社會承受犧牲的能力和經濟制約的因素,我們只能從概率的角度出發,使結構在一定的概率保證下能安全正常地發揮作用。這就決定了抗震設計的基本原則,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,要求結構不受損傷或不需修理仍可繼續使用。從結構抗震分析角度來說,就是要求結構在“小震”作用下保持準彈性反應狀態,而不進入使建筑物中斷使用和產生非結構構件破壞的非彈性反應狀態;同時結構的側向變形應控制在合理的限制范圍以內,目的是使結構具有足夠的抗側向力剛度。

中震大概相當于我們的設防烈度地震,當遭遇到中震作用時,結構可以有一定程度的損壞,經修復或不經修復仍可繼續使用。從經濟角度來說,維修費用不能太高。

對發生概率極小的罕遇大震(“大震”的烈度比設防烈度約高一度左右)。要求當結構在遭遇“大震”作用時,不應倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。

這樣一個抗震設防目標是非常經濟合理的。因為地震的發生太偶然,倘使我們一味地追求結構的強度以保證中震甚至是大震作用下結構不壞,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都處于不能充分發揮作用的狀態,這樣做是不明智的。

在上述設計原則指導下,就要求結構處于這樣一種狀況:當小震來臨,應確保所有的結構構件在抵抗地震作用力時,具有足夠的強度,使其基本上處于彈性狀態。并通過驗算小震作用下的彈性位移共同來保證結構不壞。處于這個階段的結構構件不會發生明顯的非線性變形,也不必需要采取特殊的構造措施。在中震作用下,結構的某些關鍵部位超過彈性強度,進入屈服,發生較大變形,達到非線形階段,這時,我們就特別提出延性要求(延性指當地震迫使結構發生較大的非線性變形時,結構仍能維持其初始強度的能力,是結構超過彈性階段的變形能力,它是結構抗震能力強弱的標志。它包括承受極大變形的能力和靠滯回特性吸收能量的能力,它是抗震設計當中一個非常重要的特性)。當中震來臨的時候,因為結構具有非彈性特征,某些關鍵部位超過其彈

性強度,進入塑性狀態。由于它有一定的延性,它的非線性能夠承擔塑性變形,使它在變形中能夠耗費

和吸收地震能量。代價是可能導致較寬的裂縫,混凝土表皮起殼、脫落,可能有一定的殘余變形,但不至于導致安全失效,以達到中震可修的設防目標。處于這個階段的結構,對延性就會提出相應的要求,而延性就要靠精心設計的細部構造措施來保證。當大震來臨的時候,結構的非線性變形非常大,也可能發生不可修復的破壞。處于這個階段的結構就需要通過計算它的彈塑性變形來保證結構不致倒塌。

所以,通常我們只需要按小震作用效應和其它荷載效應的基本組合,驗算構件截面抗震承載力及結構的彈性變形。而中震作用效應則需要結構靠一定的塑性變形能力(即延性)來抵抗。所以結構延性對建筑抗震是極其重要的。

2地震力降低系數的大小決定了設計地震力取值的大小,從而決定了對延性要求的大小

由上所述,用于承載力設計的地震作用可以取到小震水平,當更大的地震來臨的時候,則靠結構的延性去抵抗。所以,我們并不取用設防烈度地震作用力來進行結構承載力設計,而需要把設防烈度地震力降低一個系數,稱為地震力降低系數。

地震力降低系數取得越大,設計地震作用就取得越小;地震力降低系數取得越小,設計地震作用就取得越大。在同一個設防烈度下,地震力降低系數取得越大,地震作用就越小,那么按此小的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越低,意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越大,這就要求結構具有較大的延性來保證它較大的非彈性變形的實現,因而對延性提出的要求就更高。這一延性等級的結構即為較低設計地震力取值2較高延性要求的“高延性等級”結構。地震力降低系數取得

越小,地震作用就越大,那么按此大的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越高,意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越小,這就只需要要求結構具有較小的延性來保證它較小的非彈性變形的實現,因而對延性提出的要求就越低。這一延性等級的結構即為較高設計地震力取值2較低延性要求的“低延性等級”結構。同理,在同一個設防烈度下,地震力降低系數取為中等,地震作用也為中等,因而對延性提出的要求也為中等。這一延性等級的結構即為中等設計地震力取值2中等延性要求的“中等延性等級”結構。這樣,地震力降低系數的大小實際上就決定了設計地震力取值的大小,從而決定了對延性要求的大小。

中國規范規定把設防烈度地震作用降低約3倍來進行承載力設計,即設防烈度地震作用反應譜除以地震承載力降低系數3,而得到設計所用的反應譜。并且中國規范按設防烈度從大到小對結構延性提出了從高到低的要求,具體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的取值偏低。這似乎說明中國的地震力取值較高,因而并不需要對結構提出高延性要求。其實不然,在對比了中國和西方國家的設防地震作用反應譜曲線之后,我們發現,在中長周期范圍內,西方要比中國高,也就是說,中國在較低的反應譜水平下降低3倍,跟西方在較高的反應譜水平下降低5倍,甚至更多之后的作用水平是相差不多的,這就說明,中國對抗震結構應提出相當于西方地震力降低系數等于5,甚至高一檔次的高延性要求。

3“能力設計法”已為各國普遍接受。通過能力設計法以選擇性質不同的主要抗側力構件,在地震作用影響產生大變形的情況下,能夠形成較好的耗能機制

為了使鋼筋混凝土結構在地震引起的動力反應過程中表現出必要的延性,就必須通過能力設計法,使塑性變形更多地集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構件上。能力設計法的具體思路有三步:

(1)第一步是選擇一個可接受的塑性變形機構。所選機構的位移延性應該靠塑性鉸處最小非線性轉動來達到。一旦選定了合適的塑性變形機構,就可以精確地確定能量耗散部位。能力設計法在選擇塑性變形機構的選擇上存在兩種不同的方案:

一種是“梁鉸機構”。其具體措施是人為地較大幅度增加柱端的抗彎能力,使除底層柱底以外的各柱端在較強地震作用下,原則上不進入屈服后狀態,即不出現塑性鉸。由于柱端原則上不進入屈服,曲率較小,因此對除底層柱底的其它各層柱端不必提出嚴格的軸壓比控制條件,即不必一定要把柱端的受力狀態控制在離大、小偏心受壓界限狀態尚有一定距離的延性較好的大偏心受壓狀態。這種機構主要靠梁端出鉸來耗散地震能量。

另一種是“梁柱鉸機構”。其具體措施是只在一定程度上人為增大柱的抗彎能力,因此,從總體上說,柱端雖然與梁端相比相對較強,但在較強和很強地震作用下,柱端仍有可能進入屈服,只不過梁端出現塑性鉸的機會較多、較早,塑性轉動較大;柱端塑性鉸則出現相對較遲,塑性轉動相對較小。只要對柱的軸壓比控制較嚴,使柱端不出現小偏心受壓和離大、小偏壓分界狀態過近的大偏心受壓情況,再通過加強對柱端塑性鉸區的約束,就可以使柱端具有所需的、不十分苛刻的塑性轉動能力(延性能力)且不致壓潰。這種機構主要靠梁柱共同出鉸來耗散地震能量。

對比以上兩種方案,前者實際上是提高了柱的強度,加強了柱的彈性變形能力。在實際配筋當中,縱筋用量相對較多,箍筋用量相對較少。后者實際上是提高了柱的塑性變形能力,在實際配筋當中,縱筋用量相對較少,箍筋用量相對較多。

中國規范選擇了第二個方案,即“梁柱鉸機構”。這即是我們通常所說的“強柱弱梁”。為了實現能力設計方法中的強柱弱梁機構,我們通常的做法是對柱截面的組合彎矩乘以增大系數;也可以對由梁端實際配筋反算出梁端可抵抗彎矩,即實配彎矩乘以增大系數的方法來實現,并用增大后的彎矩值進行柱端控制截面的承載力設計。

(2)第二步是要通過人為增大各類構件的抗剪能力,使其不致在強烈地震作用下,在結構延性未發揮出來之前出現非延性的剪切破壞。這即是我們通常所說的強剪弱彎。通常的做法是用剪力增大系數增大梁端、柱端、剪力墻端、剪力墻洞口連梁端以及梁柱節點處的組合剪力值,并用增大后的剪力設計值進行受剪控制截面控制條件,進行驗算和設計。具體措施也有兩類。

一類是直接對一跨梁兩端截面的順時針或反時針方向的組合彎矩值乘以增大系數,再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關系中求得梁端剪力。

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際配筋能夠抵抗的彎矩,對其乘以增大系數,再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關系中求得梁端剪力。

(3)第三步是通過相應的構造措施,保證可能出現塑性鉸的部位具有所需的塑性轉動能力和塑性耗能能力。通常通過箍筋加密,限制軸壓比等措施來給予保證。

上述三個步驟所采取的措施是相互關聯的。第二步措施是第一步措施實現的前提和保障;因為只有塑性鉸區不致先期發生剪切失效,才能夠有梁柱塑性鉸區的塑性轉動。第一步措施要求較嚴,則第三步則可相對較弱。反之,第一步的措施較松,則對第三步的要求就較嚴格。因為如果柱彎矩增強系數很大,大到能保證除底層以外的其它柱端都不出現塑性鉸,則并不需要對軸壓比和約束箍筋提出嚴格的限制,即并不需要使柱處于延性較好的大偏壓狀態和使柱具有很強的轉動能力。這即是形成梁鉸機構。而如果控制柱的彎矩增強系數,使梁端出鉸較柱端出鉸較早、較多、轉動較大,柱端出鉸則相對較遲、較少、轉動較小。這即是“梁柱鉸機構”。此時,就需要對柱軸壓比提出一定的限制,使柱端的受力狀態處于大偏壓,同時,加強對塑性鉸區箍筋的約束,以提高塑性鉸的轉動能力,這樣就提高了柱端的延性能力,使之在所需要的塑性轉動下不至于被壓壞。所以,柱的彎矩增大系數越大,對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越低;彎矩增大系數越小,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)框架結構體系:按上述的能力設計思路,通過合理設計,可以把框架結構做成延性框架。延性框架在大震作用下,通過先出現梁鉸、后出現柱鉸這樣一種耗能機構耗散大量的地震能量,結構能夠承受一定的側向變形。所以純框架結構是一種抗震性能很好的結構。但是我們同時也看到由于純框架的抗側剛度較小,造成的側移值比較大,因此建造高度不宜太高。非結構構件比如填充墻在地震作用下,也可能出現裂縫和破壞?？蚣芎吞畛鋲χg的硬性聯結造成的剛度增大效應也可能造成設計上未考慮到的增大的側向力。倘若是半高的填充墻,還會導致形成短柱,剛度增大,承受很大的剪力,造成柱子的剪切破壞。

(2)剪力墻結構體系:剪力墻結構的承載力及剛度都很大,側移變形小,因此它的使用范圍可以比純框架結構更高。適用于框架結構構件的非線形抗震性能的原理總體上也可以用于剪力墻,也可以把剪力墻設計成為延性剪力墻,也可以以穩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,它的截面的特點是短而高,這類構件對剪切變形相當敏感,容易出現裂縫,容易出現脆性的剪切破壞。因此需進行精心合理的設計,才能夠使剪力墻具有良好的抗震性能和良好的延性能力。剪力墻的破壞形態與其剪跨比有很大關系,對剪跨比很小的矮墻,以剪切破壞形態為主,塑性變形能力很差,所以在抗震結構中應避免采用矮墻。對于懸臂墻的能量耗散,主要是通過墻底出鉸來進行的。而對于聯肢墻,經過合理地設計開洞位置,使它的能量耗散機理與具有強柱弱梁的梁鉸機構相似,形成強墻弱梁,即連梁梁端出鉸,墻底出鉸,而墻體的其它地方,均不出現塑性鉸。否則,倘若連梁強于墻肢,則會出現與柱鉸機構一樣的層變形機構。對于較長的懸臂墻,通常通過人為開洞使之變成聯肢墻,因為懸臂墻作為靜定結構,一旦有一個截面破壞失效,就會導致結構失效和倒塌,而聯肢墻則可設計成強墻弱梁,出鉸數目較多,耗能較大。同框架設計的強剪弱彎一樣,連梁及墻肢也需要通過“強剪弱彎”來提高其抗剪承載能力,推遲剪切破壞,從而改善其延性。但是受其自身截面特點的影響,構件仍不能保證不發生剪切破壞,特別是連梁,一般情況下的普通配筋連梁很難實現高延性,設計時,必須專門采取措施改變其性能。

(3)框架2剪力墻結構體系:是把框架和剪力墻結合在一起共同抵抗豎向和水平荷載的一種體系,它利用剪力墻的高抗側力剛度和承載力,彌補框架結構抗側剛度差,變形較大的弱點。由于剪力墻與框架協同工作,改善了純框架和純剪力墻的變形性能,總變形減小,層間變形減小,而且上下趨于均勻,框架上下各層柱的受力也比較均勻。另外,在地震作用下,剪力墻承擔了大部分剪力,框架只承擔很小的一部分剪力,通常都是剪力墻先屈服,剪力墻屈服后將產生內力重分配,框架分配的剪力將會增大,如果地震作用繼續增大,框架結構也會屈服,使之形成曲線分布吻合最好。

從辦公樓非線性地震反應時程分析以及三種側向力分布模式下的靜力彈塑性分析的最后塑性鉸分布圖可以看出,辦公樓滿足強柱弱梁的抗震要求。時程分析(EL2CENTRO地震波輸入下)以及三種側向力分布模式下的靜力彈塑性分析所得出的最大層間位移角分別為:1/70,1/143,1/117,1/118,均小于規范給出的鋼筋混凝土框架結構彈塑性位移角限值[θp]=1/50,因此,該辦公樓滿足罕遇地震作用下的變形要求。

5結論

(1)與常規結構靜力彈塑性分析方法相比,考慮土2結構相互作用的結構靜力彈塑性分析方法有其特殊性,結構靜力彈塑性分析中的側向力分布模式、目標位移的確定方法需重新確定。

(2)對比較規則的高層框架結構進行考慮土2結構相互作用非線性抗震分析,既可以采用非線性地震反應時程分析法,也可以采用靜力彈塑性分析方法,兩種方法都能對結構進行抗震性能評估。

(3)對高層建筑結構進行考慮土2結構相互作用靜力彈塑性分析時,考慮到高階振型影響,側向力分布模式最好選用曲線分布模式。