浅析结构抗震重要因素“延性”

边大可　瞿　云

摘要：我国属地震多发国家，需要考虑抗震设防的地域辽阔，因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。我国的现代抗震设计理论是从20世纪50年代开始，在国际抗震理论的推动下发展起来的，并逐渐形成了自己的特色。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要进一步加以完善。

关键词：结构抗震；抗震设计；新型建筑材料

中图分类号：TU201文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0158-02

在地震作用下，一味地追求结构的强度并不可取，结构的延性是非常重要的。最值得我们注意的是，与国外规范相比，欧洲和新西兰规范按地震作用降低系数（“中震”的地面运动加速度与“小震”的地面运动加速度之比）来划分延性等级，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。而目前我国把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。对延性要求则按抗震等级来划分，抗震等级实质又主要是由烈度分区来决定的，从而制定了不同的抗震措施。这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。

地震分为小震、中震和大震。所谓小震指的是常遇地震，50年出现的概率大约为63%，重现期为50年。中震是指50年出现的概率约为10%，重现期为475年。而大震指的是罕遇地震，50年出现的概率为2%～3%，重现期为1641～2475年。对于偶然性和随机性很大的地震荷载，要想使结构强度一定大于结构反应，几乎是不可能的，而且是十分不经济的。

受社会承受牺牲的能力和经济制约的因素，我们只能从概率的角度出发，使结构在一定的概率保证下能安全正常地发挥作用。这就决定了抗震设计的基本原则，在我国即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在“小震”作用下，要求结构不受损伤或不需修理仍可继续使用。从结构抗震分析角度来说，就是要求结构在“小震”作用下保持准弹性反应状态，而不进入使建筑物中断使用和产生非结构构件破坏的非弹性反应状态;同时结构的侧向变形应控制在合理的限制范围以内，目的是使结构具有足够的抗侧向力刚度。中震大概相当于我们的设防烈度地震，当遭遇到中震作用时，结构可以有一定程度的损坏，经修复或不经修复仍可继续使用。从经济角度来说，维修费用不能太高。对发生概率极小的罕遇大震（“大震”的烈度比设防烈度约高一度左右）。要求当结构在遭遇“大震”作用时，不应倒塌或发生危及生命的严重破坏。这样一个抗震设防目标是非常经济合理的。因为地震的发生太偶然，倘使我们一味地追求结构的强度以保证中震甚至是大震作用下结构不坏，这将会使极大量的材料在绝大部分时间里，甚至在整个寿命期内都处于不能充分发挥作用的状态，这样做是不明智的。在上述设计原则指导下，就要求结构处于这样一种状况：当小震来临，应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时，具有足够的强度，使其基本上处于弹性状态。并通过验算小震作用下的弹性位移来共同保证结构不坏。处于这个阶段的结构构件不会发生明显的非线性变形，也不必需要采取特殊的构造措施。在中震作用下，结构的某些关键部位超过弹性强度，进入屈服，发生较大变形，达到非线形阶段，这时，我们就特别提出延性要求（延性指当地震迫使结构发生较大的非线性变形时，结构仍能维持其初始强度的能力，是结构超过弹性阶段的变形能力，它是结构抗震能力强弱的标志。它包括承受极大变形的能力和靠滞回特性吸收能量的能力，它是抗震设计当中一个非常重要的特性）。当中震来临的时候，因为结构具有非弹性特征，某些关键部位超过其弹性强度，进入塑性状态。由于它有一定的延性，它的非线性能够承担塑性变形，使它在变形中能够耗费和吸收地震能量。代价是可能导致较宽的裂缝，混凝土表皮起壳、脱落，可能有一定的残余变形，但不至于导致安全失效，以达到中震可修的设防目标。处于这个阶段的结构，对延性就会提出相应的要求，而延性就要靠精心设计的细部构造措施来保证。当大震来临的时候，结构的非线性变形非常大，也可能发生不可修复的破坏。处于这个阶段的结构就需通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。所以，通常我们只需要按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合，验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形。而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力（即延性）来抵抗。所以结构延性对建筑抗震是极其重要的。

合理选择了结构延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面：

1．“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。

2．“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。

3．抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。

这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先，这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的组合弯矩和组合轴力进行设计；对底层柱底截面则用增大幅度较小的组合弯矩和组合轴力进行截面设计。通过这一做法实现在大震下的较大塑性变形中，梁端塑性铰形成的较为普遍，底层柱底塑性铰出现迟于梁端塑性铰，而其余所有的柱截面不出现塑性铰，最终形成“理想梁铰机构”。为此，这种方法就必须取足够大的柱端弯矩增强系数。美国抗震界则认为新西兰取的柱弯矩增强系数过大，根据经验取了较小的柱弯矩增强系数，这一做法使结构在大震引起的非弹性变形过程中，梁端塑性铰形成较早，柱端塑性铰形成的相对较迟，梁端塑性铰形成的较普遍，柱端塑性铰形成的相对少一些，从而形成“梁柱塑性铰机构”。

新西兰抗震措施的好处在于“理想梁铰机构”完全利用了延性和塑性耗能能力较好的梁端塑性铰来实现框架延性和耗散地震能量，同时因为除底层柱底外的其他柱端不出现塑性铰，也就不必再对这些柱端加更多的箍筋，但是这种思路过于受塑性力学形成理想机构概念的制约，总认为底层柱底应该形成塑性铰，这样就对底层柱底提出了较严格的轴压比要求，同时还要用足够多的箍筋来使柱底截面具有所需的延性，此外，底层柱底如果延性不够发生破坏很容易导致结构整体倒塌。这些不利因素使该方法丧失了很大的优势。所以结构主要靠延性来抵抗较大地震作用下的非弹性变形，

综上所述，地震作用下，结构的延性与结构的强度具有同等重要的意义。我国的抗震设计思路也应该在完善自身不足的同时，不断向前发展。

参考文献

[1]蔡宇祥．汶川地震引发的对框架结构抗震设计的思考[J]．施工技术，2008，（2）．

[2]胡志霞．抗震分析与设计在高层建筑结构中的应用[J]．现代商贸工业，2008，（12）．