探讨钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路

谢洪栋 孙震

摘要：本文从1、抗震设计思路发展历程；2、现代抗震设计思路及关系；3、保证结构延性能力的抗震措施；4、我国抗震设计思路中的部分不足；5、常用抗震分析方法这五个方面，结合对钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路及我国设计规范抗震设计方法的理解和探讨。

关键词：钢筋混凝土 建筑结构 现代抗震

一、抗震设计思路发展历程

随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1 倍自重）用于结构设计。到了60年代，随着地面运动记录的不断丰富，人们通过单自由度体系的弹性反应谱，第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势，揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾，当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度，这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后來随着对结构非线性性能的不断研究，人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此，也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服，并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。

二、现代抗震设计思路及关系

在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：

1.合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系数）得到不同的设计用地面运动加速度（即小震的）来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。

制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施（强柱弱梁、强剪弱弯）和抗震构造措施。

2.现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心是关系，关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数；而为最大非弹性反应位移与屈服位移之比，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。

之所以存在上述的规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。

三、保证结构延性能力的抗震措施

合理选择了结构的屈服水准和延性要求后，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内容：

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。因此很多研究者认为不需要被塑性力学的机构概念所限制，只要能在大震下实现以下的塑性耗能机构，就能保证抗震设计的基本要求：1. 以梁端塑性铰耗能为主；2. 不限制柱端塑性铰出现（包括底层柱底），但是通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量；3. 同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。

综上所述，与非抗震抗剪相比，抗震抗剪性能是不同的，其性能与剪力作用环境，塑性区延性要求大小有关。

四、我国抗震设计思路中的部分不足

我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。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，需要我们今后加以完善。

其中，最值得我们注意的是，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。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。这几种抗震思路都是符合规律的。而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.86，而且还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。对延性要求则并未按关系来取对应的，而是按抗震等级来划分，抗震等级实质又主要是由烈度分区来决定的。这就导致同一个R对应了不同的抗震等级，从而制定了不同的抗震措施，这与关系是不一致的。这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。

五、常用抗震分析方法

伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。在结构设计中，我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反应谱法，弹性时程分析方法来计算该地震作用值，这三种方法都是弹性分析方法。其中，底部剪力法最简便，适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构。它的大致思路是通过估计结构的第一振型周期来确定地震影响系数，再结合结构的重力荷载来确定总的水平地震作用，然后按一定方式分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。而对于特别不规则和特别重要的结构，常常需要进行弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。以上方法主要针对结构在地震作用下的弹性阶段，保证结构具有一定的屈服水准。

六、结束语：从现代抗震设计思路提出至今，世界各国的抗震学术界和工程界又取得了许多新的成果，比如进行了大量钢筋混凝土构件的抗震性能试验；通过迅速发展的计算机技术编制了准确性更好的非线性动力反应程序；在设计方法上也不再拘泥于以前单一的基于力的传统抗震设计方法，开始尝试基于性能和位移的新的抗震设计理念。在这样的环境中，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。