谈钢筋混凝土建筑如何实现抗震设防目标

吴 宗 羲

(邯郸市第一中学，河北 邯郸 056008)



谈钢筋混凝土建筑如何实现抗震设防目标

吴 宗 羲

(邯郸市第一中学，河北 邯郸 056008)

介绍了我国建筑结构抗震设防坚持的基本原则，根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的结构设计要求，从强柱弱梁、强剪弱弯、抗震构造等方面，阐述了钢筋混凝土建筑的设计措施，旨在提高建筑结构的抗震性能。

钢筋混凝土结构，抗震设防，地震，结构延性

地震是一种破坏力极强的自然灾害，重大地震会导致房倒屋塌、道路损坏、河道淤塞、堤坝溃决、人员死伤等一系列破坏。如何提高抗震能力，一直是各类建筑致力解决的问题。随着科学技术的进步，尤其是建筑材料的更新，建筑物的抗震能力一直在不断提高。为提高建筑物的抗震能力，世纪之交，我国的建筑逐渐淘汰了传统的砖混结构而采用了钢筋混凝土结构。目前，钢筋混凝土结构已成为我国建筑结构的主体，被大多数建筑所采用。对于这种建筑结构，如何实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”这一抗震设防的目标是个急需解决的问题。现结合自己学到的物理学理论、建筑知识，对此问题略陈管见。

1)我国抗震设防坚持的是“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本原则。在当今社会，抗震设防工程既要保证基本的人物财产安全，也要视具体的国情和经济实力而定。我国抗震设防“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本原则很好的体现了这一点。大地震发生的频率和概率都比较小，几十年一遇甚至上百年一遇，而中小地震的破坏力则相对有限，如果在平时抗震设防工程合理到位，地震应急机制和宣传及时有效，中小地震所产生的损失可以大幅度降低。如果在抗震设防工程的设计中过于强调工程结构的强度来应对中大地震带来的灾害，就会投入大量的经济资源和人力物力，而这些投入在大多数的时间内都是一种闲置状态，不能最大限度的发挥其功用，这样做是不符合我国的国情的。

按照不同的划分标准，地震有不同的分类。小震、中震和大震根据地震出现的概率和重现期划分时，依据如下：按照出现概率的高低划分，小震的频率最高，50年出现的概率是63%；中震50年出现的概率是10%，而大地震在50年出现的概率仅为2%～3%；而重现期按照小震、中震、大震的对比发现，其年数分别为50年，475年，1641年～2475年。通过概率和重现期可以发现，大震是属于非常罕见的地震，虽然破坏力大，但次数较低，所以抗震设防要立足于发生概率更高的小震。

对结构设计而言，小震、中震和大震所产生的地震影响是不同的，其烈度也是逐渐增加的，对应的破坏程度则是呈现越来越大的趋势。小震是指结构设计基准期内超越概率为63%的烈度水平的地震影响；中震是指结构设计基准期内超越概率为10%的烈度水平的地震影响；大震是指结构设计基准期内超越概率为2%～3%的烈度水平的地震影响。当结构基准期为50年时，小震烈度比中震烈度约小1.5度，大震烈度比中震烈度约大1度(当基本烈度为9度时不到1度)[1]。

2)“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本要求。我国GB 50011—2001建筑抗震设计规范(以下简称“抗震规范”)给出了全国主要城镇抗震设防烈度。“小震不坏”并不是当结构遭遇到当地抗震设防烈度的地震作用时，结构“不坏”，而是指按当地设防烈度大概降低1.5度左右的地震作用效应，即按“抗震规范”给定的当地抗震设防烈度对应的设计基本地震加速度地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，满足“抗震规范”的要求。也即建筑结构基本上处在弹性变形状态，并未发生非弹性变形，不必采取其他特殊措施就可安全正常使用。

“中震可修”，指当结构遭遇比“小震”更大的地震即“中震”时，地面运动的加速度大于当地设防烈度所对应的设计基本地震加速度时，结构将在一系列的控制部分进入非弹性变形状态,结构会有一个很大的非弹性变形。其外部表现很可能是一个构件较大的裂缝,外部的墙体凸起或者脱落等,但这不会影响整体结构的安全效能。尽管结构将出现一定程度的破坏,但后期通过相应的维修工程或修理手段可以保证建筑继续使用。

“大震不倒”，是指当大震发生时，即使结构产生的是非常大的非弹性变形，造成的是无法弥补的伤害，但它不应该会导致结构崩溃，危及人们的生命安全[2]。

3)钢筋混凝土建筑如何实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”。对于钢筋混凝土结构，根据结构本身相关特性，利用人为的影响措施，使结构在外力(含地震力)产生作用的同时，产生相应的非线性变化(弯曲、脱落等)来降低破坏程度。在非线性变形过程中外力(含地震力)做功转变为热能传到空气中，而使结构仍然能维持其承载力。上述结构的属性，我们称之为结构延性。通过精心设计结构的细部构造，保证结构的延性，就可增强钢筋混凝土建筑物的抗震能力。实现“小震不坏”，比较简单，而实现“中震可修，大震不倒”则较难。实现“中震可修，大震不倒”的抗震目标，主要是靠保证结构延性来实现。借此，地震的外力作用会使钢筋混凝土结构在振动过程中产生非线性变形，进入自身的保护状态，通过塑性变形减少地震传输到结构上的能量，进而降低地震对钢筋混凝土建筑本身的破坏。同时，结构的阻尼也会增加地震能量的耗散，进一步减少地震对建筑的作用。此外，进入非弹性状态后的钢筋混凝土建筑，弹性刚度将会高于横向刚度，相应的也拉长了自然振动周期，从而减少了地震的外力作用。因此，结构的延性对抗震设防工程发挥作用的成功与否是关键的，具有其他措施无法替代的作用。为了使钢筋混凝土结构具有抗震所必需的延性，可采取下面三种措施：

a.强柱弱梁。结构的延性应建立在一个可接受的塑性变形结构的基础之上，最小的非线性旋转塑性铰处决定了位移延性。因此，在选择了合适的塑性变形结构之后就可以确定能量耗散位置。“梁柱铰结构”作为我国通用的规范，简言之也就是我们通常所说的“强柱弱梁”结构。其实施的具体要求则是在一定程度上人为的增大柱的弯曲承载力，而不过多采取其他措施。这种结构，从总体上来看，虽然比较强的是柱端，但在强烈地震作用下，柱端仍然有可能会进入屈服状态，只不过梁端有更多的机会出现塑性铰，也会出现较早、较大的塑性转动；相对梁端来说，柱端出现塑性铰较晚，塑性转动的范围也相对较小。我们通常的做法是，组合柱截面弯矩乘以增大系数；也可以通过实际加固梁端推算出梁端可以抵抗的弯矩。此外，要更加严格的控制柱的轴压比，然后通过强化塑性铰的约束区域末端，就可以使柱端具有所需要的、适当的塑性转动能力且不至于崩溃。

b.强剪弱弯。剪切破坏基本上没有延性,剪切破坏会使发生该破坏的部位彻底失去结构抗震能力,柱的剪切破坏也会导致局部或整体结构的崩溃。这就需要增加各种构件的抗剪能力,使其避免结构延性在未发挥作用之前出现非延性的剪切破坏，从而能够应对强烈的地震作用来发挥延性作用。这就是我们常说的“强剪弱弯”。通常的做法是使用剪力增大系数增大各个部位的组合剪力值，并利用增大后的剪力值对相关截面进行验算和设计。具体措施包括两种类型:一种是直接在横梁两端的顺时针或逆时针力矩乘以增大系数的值,然后与梁的垂直重力荷载代表值一起从平衡中计算梁端剪力。另一种是沿顺时针或逆时针方向的横梁部分的弯矩，乘以增大的系数,然后垂直重力作用在梁上,在相互平衡中计算梁端剪力。

c.加强抗震构造。钢筋混凝土建筑中出现塑性铰的部位在面对大震时会失去降低地震作用的塑性转动能力和耗能能力。而要避免这一情况，就需要加强抗震构造，一般来说采用的方法是限制柱的轴压比和箍筋加密。强柱弱梁、强剪弱弯以及加强抗震结构，是相互关联、密不可分的三项措施。主要表现为：只有保证“强剪弱弯”才能实现“强柱弱梁”，因为只有塑性铰区不发生早期的剪切破坏，梁柱塑性铰区才会具有塑性转动的前提条件。如果“强柱弱梁”作为抗震设防工程的首要措施要求严格，那么“加强地震构造”作为后续措施就可以要求相对宽松；如果在实施“强柱弱梁”措施时要求就比较宽松，那么对后续措施中加强抗震结构的要求就需要十分严格。原因就在于梁铰结构和梁柱铰结构中，柱弯矩增大系数同轴压比和箍筋是呈现一个相互约束的机制，即二者是负相关的关系，当柱弯矩增大系数增大时，会降低对轴压比和箍筋的约束，反之，则提高了对轴压比和配箍的要求[3]。

简而言之,对钢筋混凝土建筑,只要抗震设计能够对应相应地震烈度、地震加速度和其他荷载效应的基本组合, 检查结构组件结构的承载力和弹性变形部分,满足相应的规范要求,就可以实现“小震不坏”。要实现“中震可修”“大震不倒”的抗震设防目标，关键就在于要保证结构延性。通过人为措施，把结构控制为“强柱弱梁”和“强剪弱弯”，并采取如增加箍筋密度、约束柱的轴压比之类抗震构造措施，使结构遭遇“中震”后可以修复。对于结构遭遇“大震”作用，就需要计算它的弹塑性变形来满足“抗震规范”要求，实现“大震不倒”的抗震设防目标[4]。

[1] 同济大学土木工程学院.怎样理解小震、中震、大震？[EB/OL].http://222.66.109.20/jpkc/lgq/bbs/ShowPost.asp ThreadID=2033.[2006-06-01].

[2] 李琥珀.小震不坏,中震可修,大震不倒[EB/OL].新浪网.http://news.sina.com.cn/c/2006-07-10/09099417157s.shtml.[2006-07-10].

[3] 刘祖强.型钢混凝土异形柱框架抗震性能及设计方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.

[4] 孙治国.钢筋混凝土桥墩抗震变形能力研究[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2004.

Discussion on reinforced concrete building how to realize the seismic fortification goal

Wu Zongxi

(HandanNo.1MiddleSchool,Handan056008,China)

This paper introduced the basic principle of our building structure seismic fortification, according to the structure design requirements of “minor earthquake, repairable under moderate earthquake, structure design for the earthquake does not fall”, from the strong column and weak beam, strong shear weak bending, seismic structure and other aspects, elaborated the design measures of reinforced concrete building, in order to improve the seismic performance of building structures.

reinforced concrete structure, seismic fortification, earthquake, structural ductility

1009-6825(2016)28-0061-03

2016-07-24

吴宗羲(1999- )，男，在读学生

TU352

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