钢筋混凝土结构现代抗震思路的理解和讨论

2012-08-15贾福东

山西建筑 2012年5期

贾福东

1 现代抗震思路的发展

在人类漫长的历史发展进程中，地震作为人类面临的主要的自然灾害，对人类的生产生活产生过巨大的危害，但由于实践和认识方面的原因一直未能找到挑战这一自然力的有效办法。随着生产力的大发展及人类文明进入工业时代，特别是城市化的发展，人们对居住条件提出了更高的要求，建筑结构的抗震研究也因此获得了快速的发展。

世界各国最早提出抗震设计的是日本，规定取房屋重力荷载的0.1倍，即水平加速度为0.1g作为地震水平力，并将它按各楼层的重力荷载比值分配给各楼层。这种方法既没有考虑结构的弹性动力特征，也没有找出地震作用的统计规律。而1927年的美国UBC第一版也是取地震作用为0.1乘以房屋重力荷载。

自1933年美国首次记录到地震的地面运动记录以后，20世纪40年代Biot从结构动力学角度提出了弹性反应谱概念。50年代Housner发表了他用Duhamel积分作出的EL Centro地震的弹性加速度谱、速度谱和位移谱。虽然这个弹性反应谱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性，具有里程碑的意义，但无法解释实际大、中震作用于结构所产生的危害远小于弹性反应谱分析结果的这一事实。20世纪60年代，随着计算机技术的飞速发展，直接动力法作为一种新的地震反应计算方法得到了迅猛的发展。直到20世纪70年代后期Newmark等人才逐步提出了考虑结构非弹性性能的抗震设计思路。他认为设计结构时取用不大的地震作用只是赋予了结构一个基本的屈服力，而发生更大的地震时是靠结构必要的非弹性变形能力来抵抗足够大的地震冲击。Newmark还首次提出了延性(ductity)的概念。此后，Newmark又利用自己编制出的非线性动力反应程序和简单的双折线无刚度退化模型对不同周期的初始刚度相同的单自由度体系在多条地面运动输入下的动力反应做出了初步系统分析，提出了“等位移原理”和“等能量原理”，揭示出了不同弹性周期的结构取不同的屈服水准值时，在同一个地面运动输入下屈服水准与结构最大非弹性位移之间的关系。这既揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震下引起了非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因，也有力的回答了Housner弹性反应谱所带来的疑问。

考虑结构非弹性性能的抗震设计思路是真正意义上的现代抗震设计理论，已成为现在各国抗震设计规范的基本理论依据。它实际上也是从20世纪90年代开始的“基于性态抗震设计理念”的基本依据和出发点。

2 现代抗震思路的核心内容

通过对R—μ—T关系的研究从而构建整套“抗震延性设计体系”，是现代抗震思路的出发点与核心内容。这里R为同一地面运动输入下最大弹性反应力与非弹性反应屈服力之间的比值(R=pe/py)，称R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数;μ为结构最大非弹性反应位移Δmax与屈服位移Δy之间的比值(μ=Δmax/Δy)，称μ为位移延性系数;T为按结构弹性刚度求得的结构自振周期。各国在这一领域中作了深入的分析工作。研究的对象是单自由度体系选用不同的滞回规律时，其屈服水准与弹性自振周期以及最大非弹性动力反应之间的关系;以及地面运动特征(包含场地土特征)不同时，给这种关系带来的变化。

从非弹性动力反应分析中可知，钢筋混凝土结构的R—μ—T三者之间存在密切的关系。对于弹性周期较长(大于1.0 s)的结构体系，弹性体系与弹塑性体系的最大位移反应可以认为是相同的，设计时用来确定结构承载力的水平地震作用Vep取值越小(即R越大)，结构在非弹性动力反应中达到的位移延性系数μ(最大反应与屈服位移之比)会按同样的比例增大;对于T较小(在0.12 s～0.5 s之间)的结构体系，R越大，位移延性系数 μ(按 R=以更快的比例增长;而对于T更小(小于0.035)的结构，则只能形成弹性反应，R只能等于1.0;而处在这三个范围之间的区域的R—μ—T关系则处在相邻两个上述特征区的法则之间。

所以，以结构的弹性反映为准，如果我们把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越小，即R越大，那么结构在相同的地震作用下达到的非弹性水平位移就越大，对结构的位移延性要求就越高，塑性变形能力就应越好;相反，当R取较小值时(即取较大的“小震”地震作用时)对结构的延性要求就可以越松。

形成上述R—μ—T关系，塑性变形能是个很重要的因素。它是由结构各构件的滞回耗能能力来体现的，从量上可以用力—位移曲线下包围的面积来衡量。如果我们设计的结构足够强，以至于在中、大震来了之后整个结构还处于弹性阶段，则结构是以相对小的弹性位移和巨大的抗力(小R小μ)来作为代价的。这种设计往往造成“肥梁胖柱”的局面，既不美观也不经济。从周期T的角度讲，因为结构还处于弹性阶段，刚度未退化，周期未折减，由加速度反应谱可知此时结构受的还是一个最高的地震作用。如果按现代抗震设计思路设计同样一个结构，取中震地震作用的一个折减值作为承载能力设计的地震作用(即R＞1)，那么相同地震作用下结构就会部分进入塑性变形阶段。此时结构的滞回耗能能力(塑性耗能)起了耗散地震能的作用。而且结构一旦屈服进入弹塑性阶段，其刚度立即折减，周期减小，从加速度反应谱可知作用于结构上的地震作用也会降低。而延性是保证这种良好状态的最重要手段，因为延性的高低直接决定了结构屈服后继续变形和塑性耗能的能力。所以设计承载力取得越低延性要求就越高(用μ来体现)。

根据上述的R—μ—T关系可以看到中国规范的抗震设防目标(即“小震不坏，中震可修，大震不倒”)对甲、乙、丙三类抗震设防类别并非都是中肯的。在阐述理由之前我们先来个假定，即从纯的R—μ—T关系上去考察中国的抗震设防目标，抛开中国规范地震力取得对不对，或中国规范的抗震措施对“μ”反映的到不到位等因素。中国规范对于甲类建筑规定其地震作用高于本地区抗震设防烈度的要求，即取较大地震力做抗震设计，根据R—μ—T关系可知若取较大地震力做抗震设计(取较小R)，此时对建筑物的延性要求并不高，然而规范对甲类建筑的抗震措施却是提出了比本地区抗震设防更高的要求，故可以看出规范对甲类建筑抗震设计的要求从概念上高于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标的标准。同样的，规范对乙类建筑的抗震措施也是提出了比本地抗震设防烈度更高的要求，故规范对乙类建筑的要求也是高于抗震设防目标的标准。而规范规定丙类建筑的地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求，符合普遍意义上的R—μ—T关系。故抗震设防目标就甲、乙、丙三类建筑来说，在概念上对丙类建筑才是最合适的。

而中国规范的现行抗震思路却与国际上的这种主导形势有着概念上的差别。中国规范的钢筋混凝土结构的延性等级是按所处的烈度区来划分的，规定各种结构，不论处在哪个烈度区都取用一个相同的C(C=0.35)，得到一个统一的R=1/C=2.86，从而把用于结构截面承载力和变形验算的“小震”赋予一个固定的统计定义。而按照R—μ—T关系，对统一的R值，也即用于设计的地震作用相对于该烈度区中震的比值如果不变，则对结构的延性要求也应是相同的(即μ的取值也应是相同的)，而与处在什么烈度区没关系。但实际上规范中规定的措施是9度区最严，8度区次之，7度区最松，也就是说9度区结构延性最强，8度区次之，7度区最弱。虽然中国规范也意识到了这个问题并采取了一定的措施，如为了考虑各类结构及同一类结构中不同组成部分对延性的不同需求，建立了“抗震等级”的概念，但中国这套做法到底存在什么问题，在什么情况下会出现问题，只有针对各烈度区进行一系列非线性动力反应分析检验才能得出结论。

3 钢筋混凝土结构的核心抗震措施

抗震措施是结构延性能力的根本保证，延性要求越高，抗震措施越严。对于钢筋混凝土，抗震措施主要包括内力调整措施和抗震构造措施。新西兰知名教授Robert Park和Thomas Paulay首先对钢筋混凝土结构的抗震措施提出了较为系统的阐述，他们取名这套理论为能力设计(capacity design)，现已被世界各国的抗震界普遍接受。其基本内容:1)人为增大柱子的抗弯能力，而不加大梁的抗弯能力，使得框架的塑性铰更多的出现在梁端，而不是柱端，从而形成以梁端出铰为主的塑性耗能机构，即“强柱弱梁”措施。2)人为加大柱端、梁端和节点的组合剪力值，也就是人为加大这些部位相对于正截面承载能力的抗剪能力，使得结构在大震引起的交替非弹性变形过程中其任何构件都不会先发生剪切破坏，即“强剪弱弯”措施。3)在通过第2)条防止了剪切破坏后，根据第1)条引导形成的塑性耗能机构，应通过抗震构造措施或限制条件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，即保证足够的延性。

中国规范虽然没有直接使用“能力设计”这个词，但上述三点内容已得到了体现，并成为我国钢筋混凝土结构“抗震措施”的同义词。由于抗震结构延性要求可能不同，因此上述“能力设计”三项措施的严格程度也就有所区别。虽然中国规范对钢筋混凝土延性等级的划分以烈度取为主要依据(如前所述这在概念上与R—μ—T规律相矛盾)，但是还要考虑各类结构以及同一类结构中不同组成部分对延性的不同需求，因此中国规范建立了“抗震等级”(即抗震措施的等级)的概念，并将其分为一、二、三、四级。在对内力调整措施和抗震构造措施做出规定时只需按给出各抗震等级的相应规定就全部清楚了，这样用起来会比较方便。所以也有人说中国规范的这种做法实质上是一种扬长避短的措施。