鋼筋混凝土結構課程教學中抗震概念和思想貫徹方法研究

王立成　王吉忠

摘要：鋼筋混凝土結構作為土木工程、水利工程等專業的技術基礎課程，包含許多結構抗震設計的概念和思想。5·12汶川地震造成大量鋼筋混凝土結構不同程度的開裂、損壞，甚至倒塌。在課堂教學中，通過對不同類型構件破壞形態的分析，從結構延性、約束混凝土、“強柱弱梁”等方面，對學生開展了抗震概念和思想的引導和教育，增強了學生對結構抗震設計重要性的認識，培養了對鋼筋混凝土結構學習的興趣，為后續課程，如建筑結構抗震和高層建筑等課程的學習打下了基礎。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構；抗震概念；教學研究

中圖分類號：TU375；G6420 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2014）03008905

鋼筋混凝土結構是土木工程、水利工程等專業中一門重要的技術基礎課程。學習本課程的主要目的是，掌握鋼筋混凝土結構構件設計計算的基本理論和構造知識，為學習有關專業課程和從事鋼筋混凝土建筑物的結構設計打下牢固的基礎。這些專業課程包括建筑結構抗震、高層建筑等。建筑結構抗震課程依據國家規范GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[1]，介紹了地震有關知識、抗震設計原則與要求、場地分類與基礎抗震、地震作用與結構地震反應分析、砌體結構和多高層鋼筋混凝土結構的抗震設計與構造措施，以及隔震減震設計等內容。混凝土結構按課程內容的性質通常分為“混凝土結構設計原理”和“混凝土結構設計”兩部分。前者主要講述各種混凝土基本構件的受力性能、截面設計計算方法和構造等混凝土結構的基本理論，屬于專業基礎課。后者主要講述梁板結構、單層廠房、多層和高層房屋、公路橋梁等結構設計，屬于專業課內容。

在高校土木工程專業的課程設置中，作為專業基礎課，鋼筋混凝土結構通常是在三年級講授，建筑結構抗震作為專業課，在四年級講授。這樣帶來的主要問題是，學生在學習鋼筋混凝土結構的基本理論時，由于缺乏基本的抗震設計概念和思想，對混凝土結構中與抗震有關的設計方法、構造措施的理解比較困難。鋼筋混凝土結構課程的教學理念和教學方法，與學生此前學習的具有嚴密科學邏輯理論體系的基礎課程有很大的不同，要求學生既要掌握課堂上講授的基礎理論知識，又要綜合考慮材料、施工、經濟、構造細節等各方面的因素[2]。

2008年5月12日，四川省汶川縣發生里氏8.0級地震，舉國震驚，造成了數萬人死亡或失蹤，數十萬人受傷，大量道路、橋梁被毀，2 300多萬間房屋損壞，650多萬間房屋倒塌。此類地震災害仍然是土木工程專業學生所關心的話題。鋼筋混凝土結構雖然是講授混凝土結構的基本理論和設計方法的課程，然而從鋼筋混凝土的基本材料力學性能、結構設計理論與方法、結構的構造措施和技術等方面都蘊藏著結構抗震設計的概念和思想。在鋼筋混凝土結構的學習過程中，向學生貫徹滲透建筑抗震設計的概念和思想，通過汶川地震后不同類型構件的破壞形態和破壞特征的分析和學習，不僅對充分掌握鋼筋混凝土結構的受力特性、破壞性能具有很好的促進作用，而且能夠為將來進一步學習掌握抗震設計的基本知識和設計理念打下基礎，具有重要的現實意義。作者在近兩年的教學工作中，通過向學生演示自己現場拍攝的大量圖片資料，分析地震引起的結構破壞機理，鋼筋混凝土結構設計面臨的抗震設計問題和難題，提高了學生的學習興趣，加深了對鋼筋混凝土結構基本理論和設計方法的理解和掌握，取得了非常好的效果。

圖1都江堰市某辦公樓外部損壞

一、抗震設防目標與結構延性

GB 50011—2010 《建筑抗震設計規范》對抗震設防的目標提出了“三水準”的設計方法，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。特別是第三水準，當遭受高于本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發生危機生命的嚴重破壞。因此，必須保證結構在地震作用下具有足夠的延性。鋼筋混凝土結構雖然重點講授鋼筋混凝土構件在非抗震設計中的基本計算理論與原理，然而課程中多處提到了結構延性的概念及其與抗震設計的關系。因此，在課堂講課過程中，針對地震后結構的破壞狀況展開討論，對更好地理解和掌握結構延性的概念及其對達到抗震設防目標的作用具有重要的推動作用。

5·12汶川地震，都江堰市區的實際烈度是8度，而抗震設防烈度為7度。因此，按抗震設計規范設計的建筑物，應能夠達到第三水準的要求，即滿足大震不倒的設防目標。圖1所示為都江堰市某辦公樓，在地震中雖然遭受了嚴重損壞，但其主體框架結構卻能保持相對完好，未導致結構倒塌。但其內部的梁板構件卻大量開裂、變形，說明消耗了大量的地震能量。內部構件損害如圖2所示。

結構、構件或截面的延性是指從屈服開始至達到最大承載能力或達到以后而承載力還沒有顯著下降期間的變形能力，即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[3]。也就是說，延性反映結構的后期變形能力。“后期”是指從鋼筋開始屈服進入破壞階段直到最大承載能力（或下降到最大承載能力的85%）時的整個過程。延性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，是抗震設計當中一個非常重要的特性。延性差的結構、構件或截面，其后期變形能力小，剛進入破壞階段就會破壞，這是不好的。因此，對結構、構件或截面除了要求其滿足承載能力以外，還要求具有一定的延性，其目的在于：

（1）有利于吸收和耗散地震能量，滿足抗震方面的要求。

（2）防止發生像超筋梁那樣的脆性破壞，以確保生命和財產的安全。

（3）在超靜定結構中，能更好地適應地基不均勻沉降以及溫度變化等情況。

（4）使超靜定結構能夠充分地進行內力重分布，并避免配筋疏密懸殊，便于施工，節約鋼材。

以上分析可見，結構延性對提高結構的抗震能力、減小地震造成的破壞和損失具有重要作用。因此，在地震作用下，一味地追求結構的強度并不可取，結構的延性非常重要。

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。中震大概相當于設防烈度地震，當遭遇中震作用時，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。因為地震是偶發性事件，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，將會使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。

以上這些延性與抗震設計的概念在鋼筋混凝土結構課程中均有不同程度的體現。比如上面講的一味追求結構的強度并不可取的說法。在混凝土的物理力學性能的內容中，明確指出，隨著混凝土強度的提高，應力-應變曲線的下降段坡度越陡，即應力下降相同幅度時變形越小，延性越差，如圖3所示。再比如，要提高梁的抗彎承載力，可以通過增加縱向受拉鋼筋來實現。然而，縱向受拉鋼筋配筋率增大將造成延性的降低。這也是除了限值最小配筋率外，還要規定配筋率上限值的原因。

圖3不同強度混凝土的應力-應變關系

二、約束混凝土

使混凝土處于三軸受壓的應力狀態，限制了混凝土的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強度和變形能力，就成為“約束混凝土”。在課程中講述復合應力下混凝土的強度和變形性能時，學生往往對此問題缺少直接和感性的認識。于是，作者引入鋼管混凝土結構的工程實例，使學生了解到復合應力問題和約束混凝土的工程應用，特別是約束后混凝土變形性能的改善對提高結構抗震性能的好處。

隨著近年來高強混凝土、新型組合材料在工程中的應用，現代高層建筑將會更多采用鋼管約束混凝土結構、纖維約束混凝土結構等，使高樓的抗震效果提高到一個新的水平。美國加州大學戴維斯分校在國際上研究新型約束混凝土結構享有盛譽，該校杰克·莫尼教授出席“約束混凝土國際研討會”時表示，盡管學術上對鋼管約束混凝土結構研究有近百年的歷史，但在實際工程中的應用不到10年，如果當初美國的世貿大廈采用鋼管約束混凝土結構，或許在“9·11”恐怖事件中的損失會小一些。國內教授也曾指出，新型約束混凝土結構與傳統的鋼筋混凝土結構相比，抗震加固性能更加優化，地震作用下的延性性能和耗能能力大幅提高。近年在我國得到了較好的應用，其中由貝聿銘設計的60多層高樓、香港上海銀行大樓和深圳賽格市場大廈就是采用鋼管約束混凝土結構的代表作[4]。

圖4為5·12汶川地震中都江堰市一棟建筑受損的情況。可以想象，如果結構的柱子采用類似鋼管混凝土的結構形式，或者橫向箍筋設計中增加箍筋數量（即減小箍筋間距），就可以大大提高結構的承載力，特別是使結構具有足夠的變形能力，而避免出現柱子“燈籠”型破壞方式。

圖4汶川地震后都江堰某建筑柱燈籠型破壞形態

三、預應力混凝土結構的抗震設計

在講授預應力混凝土結構時，除了要讓學生理解預應力是如何施加及預應力混凝土結構的工作性能外，還需要重點強調預應力混凝土結構的優點和缺點。這樣能夠使學生在將來的工作中根據不同情況選擇結構形式。預應力混凝土結構的缺點中，非常重要的一點是：預應力混凝土結構的延性較差。原因是預應力混凝土構件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，從而造成混凝土開裂后結構的變形過程縮短。這一點與前面講的混凝土結構的延性與抗震的知識相呼應，進一步強調了延性對結構抗震的重要性。

針對預應力混凝土結構中存在的這一致命缺陷，需要明確預應力混凝土抗震設計應遵循的一般原則[5]：

（1）既要做好抗震計算，又要重視概念設計。一方面，要認真對地震作用、效應進行定量計算；另一方面，要選好場地，采用合理的建筑平面、立面，選擇合理的抗震結構體系，采用正確的構造措施。

（2）采用兩階段設計，滿足三個水準的抗震設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。兩階段抗震驗算要求，即第一階段采用小震地震動參數計算地震作用，進行允許彈性變形驗算，實現第一水準的設防要求，采用荷載分項系數的設計表達式進行結構構件的承載力驗算，近似實現第二水準的設防要求；第二階段設計時，采用大震地震動參數計算地震作用，進行結構彈塑性變形驗算，實現第三水準的設防要求。

（3）宜有多道抗震防線，避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構抗震能力或承載能力的喪失。

（4）使結構具有合理的剛度和強度分布，避免薄弱層或薄弱部位的出現。

（5）提高抗震結構構件的延性，改善其變形能力，應進行多遇或罕遇地震作用下的變形驗算。

通過以上知識的介紹和講解，學生深刻認識到，預應力混凝土結構抗震能力差的問題可以通過一些抗震措施得以緩解，從而擴大了預應力混凝土結構的應用范圍和領域。

四、多道抗震設防

針對鋼筋混凝土結構的抗震問題，可做的工作還很多。比如，《建筑抗震設計規范》對結構體系提出了多道抗震防線的要求，對在大震作用下結構抗倒塌具有重要意義。GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[6]增加了結構抗防連續倒塌設計的內容，要求采用超靜定結構，重要構件和關鍵傳力部位應增加冗余約束或多條傳力途徑。另外，特增加“結構方案”一節，由“構件計算”擴展到“結構設計”。強調結構選型、體系組構、構件布置、均勻規則、傳力途徑、冗余約束、縫的分割、連接構造、方便施工、綜合功能等要求，特別強調結構整體穩固性或魯棒性。本項修訂內容對轉變設計理念，即從傳統上強調構件設計，甚至截面設計向結構設計的轉變，起到了重要的推動作用[7]。對中小學校建筑，人群相對集中，又涉及未成年人，現在廣泛存在的大開間教室建筑結構，應該考慮在現有抗震防線的基礎上再增加一道抗震防線，從而提高此類建筑的抗震水平[8]。在這一方面，日本由于長期受地震災害的影響，積累了很多有益的經驗和做法。圖5為日本某大學的教學辦公樓以增設鋼架提高結構抗震性能。

圖 5日本某大學教學辦公樓的抗震增強措施

五、結語

建筑結構的抗震設防是地震設防區結構設計的一項重要內容。在鋼筋混凝土結構課程學習過程中向學生灌輸和滲透抗震設計的概念和思想對提高學生的學習興趣、增強抗震設計的基礎理論知識學習具有重要意義。不僅提高了學生對結構抗震設計重要性的認識，而且培養了學生對鋼筋混凝土結構學習的興趣，受到學生的普遍歡迎。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 王立成，劉毅. 專業課程教學中創新思維的培養途徑研究[J]. 大連理工大學學報：社會科學版，2009，30（S2）： 22-24.

[3] 豐定國. 工程結構抗震[M]. 地震出版社，2002.

[4] 國內科技動態：新型約束混凝土結構讓高樓更堅固[EB/OL].[2013-12-01]. http：//ctixm.xmsme.gov.cn/2004-6/2004618162319.htm.

[5] 宋玉普，王立成，車軼. 鋼筋混凝土結構[M]. 機械工業出版社，2013.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50010—2010混凝土結構設計規范 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7] 王立成. 2010版《混凝土結構設計規范》與混凝土結構課程教學內容的調整[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）：55-58.

[8] 王立成. 汶川地震后學校砌體建筑結構破壞情況調查與分析[J]. 大連理工大學學報，2009，49（5）： 650-656.

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。中震大概相當于設防烈度地震，當遭遇中震作用時，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。因為地震是偶發性事件，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，將會使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。

以上這些延性與抗震設計的概念在鋼筋混凝土結構課程中均有不同程度的體現。比如上面講的一味追求結構的強度并不可取的說法。在混凝土的物理力學性能的內容中，明確指出，隨著混凝土強度的提高，應力-應變曲線的下降段坡度越陡，即應力下降相同幅度時變形越小，延性越差，如圖3所示。再比如，要提高梁的抗彎承載力，可以通過增加縱向受拉鋼筋來實現。然而，縱向受拉鋼筋配筋率增大將造成延性的降低。這也是除了限值最小配筋率外，還要規定配筋率上限值的原因。

圖3不同強度混凝土的應力-應變關系

二、約束混凝土

使混凝土處于三軸受壓的應力狀態，限制了混凝土的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強度和變形能力，就成為“約束混凝土”。在課程中講述復合應力下混凝土的強度和變形性能時，學生往往對此問題缺少直接和感性的認識。于是，作者引入鋼管混凝土結構的工程實例，使學生了解到復合應力問題和約束混凝土的工程應用，特別是約束后混凝土變形性能的改善對提高結構抗震性能的好處。

隨著近年來高強混凝土、新型組合材料在工程中的應用，現代高層建筑將會更多采用鋼管約束混凝土結構、纖維約束混凝土結構等，使高樓的抗震效果提高到一個新的水平。美國加州大學戴維斯分校在國際上研究新型約束混凝土結構享有盛譽，該校杰克·莫尼教授出席“約束混凝土國際研討會”時表示，盡管學術上對鋼管約束混凝土結構研究有近百年的歷史，但在實際工程中的應用不到10年，如果當初美國的世貿大廈采用鋼管約束混凝土結構，或許在“9·11”恐怖事件中的損失會小一些。國內教授也曾指出，新型約束混凝土結構與傳統的鋼筋混凝土結構相比，抗震加固性能更加優化，地震作用下的延性性能和耗能能力大幅提高。近年在我國得到了較好的應用，其中由貝聿銘設計的60多層高樓、香港上海銀行大樓和深圳賽格市場大廈就是采用鋼管約束混凝土結構的代表作[4]。

圖4為5·12汶川地震中都江堰市一棟建筑受損的情況。可以想象，如果結構的柱子采用類似鋼管混凝土的結構形式，或者橫向箍筋設計中增加箍筋數量（即減小箍筋間距），就可以大大提高結構的承載力，特別是使結構具有足夠的變形能力，而避免出現柱子“燈籠”型破壞方式。

圖4汶川地震后都江堰某建筑柱燈籠型破壞形態

三、預應力混凝土結構的抗震設計

在講授預應力混凝土結構時，除了要讓學生理解預應力是如何施加及預應力混凝土結構的工作性能外，還需要重點強調預應力混凝土結構的優點和缺點。這樣能夠使學生在將來的工作中根據不同情況選擇結構形式。預應力混凝土結構的缺點中，非常重要的一點是：預應力混凝土結構的延性較差。原因是預應力混凝土構件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，從而造成混凝土開裂后結構的變形過程縮短。這一點與前面講的混凝土結構的延性與抗震的知識相呼應，進一步強調了延性對結構抗震的重要性。

針對預應力混凝土結構中存在的這一致命缺陷，需要明確預應力混凝土抗震設計應遵循的一般原則[5]：

（1）既要做好抗震計算，又要重視概念設計。一方面，要認真對地震作用、效應進行定量計算；另一方面，要選好場地，采用合理的建筑平面、立面，選擇合理的抗震結構體系，采用正確的構造措施。

（2）采用兩階段設計，滿足三個水準的抗震設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。兩階段抗震驗算要求，即第一階段采用小震地震動參數計算地震作用，進行允許彈性變形驗算，實現第一水準的設防要求，采用荷載分項系數的設計表達式進行結構構件的承載力驗算，近似實現第二水準的設防要求；第二階段設計時，采用大震地震動參數計算地震作用，進行結構彈塑性變形驗算，實現第三水準的設防要求。

（3）宜有多道抗震防線，避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構抗震能力或承載能力的喪失。

（4）使結構具有合理的剛度和強度分布，避免薄弱層或薄弱部位的出現。

（5）提高抗震結構構件的延性，改善其變形能力，應進行多遇或罕遇地震作用下的變形驗算。

通過以上知識的介紹和講解，學生深刻認識到，預應力混凝土結構抗震能力差的問題可以通過一些抗震措施得以緩解，從而擴大了預應力混凝土結構的應用范圍和領域。

四、多道抗震設防

針對鋼筋混凝土結構的抗震問題，可做的工作還很多。比如，《建筑抗震設計規范》對結構體系提出了多道抗震防線的要求，對在大震作用下結構抗倒塌具有重要意義。GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[6]增加了結構抗防連續倒塌設計的內容，要求采用超靜定結構，重要構件和關鍵傳力部位應增加冗余約束或多條傳力途徑。另外，特增加“結構方案”一節，由“構件計算”擴展到“結構設計”。強調結構選型、體系組構、構件布置、均勻規則、傳力途徑、冗余約束、縫的分割、連接構造、方便施工、綜合功能等要求，特別強調結構整體穩固性或魯棒性。本項修訂內容對轉變設計理念，即從傳統上強調構件設計，甚至截面設計向結構設計的轉變，起到了重要的推動作用[7]。對中小學校建筑，人群相對集中，又涉及未成年人，現在廣泛存在的大開間教室建筑結構，應該考慮在現有抗震防線的基礎上再增加一道抗震防線，從而提高此類建筑的抗震水平[8]。在這一方面，日本由于長期受地震災害的影響，積累了很多有益的經驗和做法。圖5為日本某大學的教學辦公樓以增設鋼架提高結構抗震性能。

圖 5日本某大學教學辦公樓的抗震增強措施

五、結語

建筑結構的抗震設防是地震設防區結構設計的一項重要內容。在鋼筋混凝土結構課程學習過程中向學生灌輸和滲透抗震設計的概念和思想對提高學生的學習興趣、增強抗震設計的基礎理論知識學習具有重要意義。不僅提高了學生對結構抗震設計重要性的認識，而且培養了學生對鋼筋混凝土結構學習的興趣，受到學生的普遍歡迎。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 王立成，劉毅. 專業課程教學中創新思維的培養途徑研究[J]. 大連理工大學學報：社會科學版，2009，30（S2）： 22-24.

[3] 豐定國. 工程結構抗震[M]. 地震出版社，2002.

[4] 國內科技動態：新型約束混凝土結構讓高樓更堅固[EB/OL].[2013-12-01]. http：//ctixm.xmsme.gov.cn/2004-6/2004618162319.htm.

[5] 宋玉普，王立成，車軼. 鋼筋混凝土結構[M]. 機械工業出版社，2013.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50010—2010混凝土結構設計規范 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7] 王立成. 2010版《混凝土結構設計規范》與混凝土結構課程教學內容的調整[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）：55-58.

[8] 王立成. 汶川地震后學校砌體建筑結構破壞情況調查與分析[J]. 大連理工大學學報，2009，49（5）： 650-656.

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。中震大概相當于設防烈度地震，當遭遇中震作用時，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。因為地震是偶發性事件，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，將會使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。

以上這些延性與抗震設計的概念在鋼筋混凝土結構課程中均有不同程度的體現。比如上面講的一味追求結構的強度并不可取的說法。在混凝土的物理力學性能的內容中，明確指出，隨著混凝土強度的提高，應力-應變曲線的下降段坡度越陡，即應力下降相同幅度時變形越小，延性越差，如圖3所示。再比如，要提高梁的抗彎承載力，可以通過增加縱向受拉鋼筋來實現。然而，縱向受拉鋼筋配筋率增大將造成延性的降低。這也是除了限值最小配筋率外，還要規定配筋率上限值的原因。

圖3不同強度混凝土的應力-應變關系

二、約束混凝土

使混凝土處于三軸受壓的應力狀態，限制了混凝土的橫向變形，從而提高了混凝土的抗壓強度和變形能力，就成為“約束混凝土”。在課程中講述復合應力下混凝土的強度和變形性能時，學生往往對此問題缺少直接和感性的認識。于是，作者引入鋼管混凝土結構的工程實例，使學生了解到復合應力問題和約束混凝土的工程應用，特別是約束后混凝土變形性能的改善對提高結構抗震性能的好處。

隨著近年來高強混凝土、新型組合材料在工程中的應用，現代高層建筑將會更多采用鋼管約束混凝土結構、纖維約束混凝土結構等，使高樓的抗震效果提高到一個新的水平。美國加州大學戴維斯分校在國際上研究新型約束混凝土結構享有盛譽，該校杰克·莫尼教授出席“約束混凝土國際研討會”時表示，盡管學術上對鋼管約束混凝土結構研究有近百年的歷史，但在實際工程中的應用不到10年，如果當初美國的世貿大廈采用鋼管約束混凝土結構，或許在“9·11”恐怖事件中的損失會小一些。國內教授也曾指出，新型約束混凝土結構與傳統的鋼筋混凝土結構相比，抗震加固性能更加優化，地震作用下的延性性能和耗能能力大幅提高。近年在我國得到了較好的應用，其中由貝聿銘設計的60多層高樓、香港上海銀行大樓和深圳賽格市場大廈就是采用鋼管約束混凝土結構的代表作[4]。

圖4為5·12汶川地震中都江堰市一棟建筑受損的情況。可以想象，如果結構的柱子采用類似鋼管混凝土的結構形式，或者橫向箍筋設計中增加箍筋數量（即減小箍筋間距），就可以大大提高結構的承載力，特別是使結構具有足夠的變形能力，而避免出現柱子“燈籠”型破壞方式。

圖4汶川地震后都江堰某建筑柱燈籠型破壞形態

三、預應力混凝土結構的抗震設計

在講授預應力混凝土結構時，除了要讓學生理解預應力是如何施加及預應力混凝土結構的工作性能外，還需要重點強調預應力混凝土結構的優點和缺點。這樣能夠使學生在將來的工作中根據不同情況選擇結構形式。預應力混凝土結構的缺點中，非常重要的一點是：預應力混凝土結構的延性較差。原因是預應力混凝土構件的開裂荷載與破壞荷載較為接近，從而造成混凝土開裂后結構的變形過程縮短。這一點與前面講的混凝土結構的延性與抗震的知識相呼應，進一步強調了延性對結構抗震的重要性。

針對預應力混凝土結構中存在的這一致命缺陷，需要明確預應力混凝土抗震設計應遵循的一般原則[5]：

（1）既要做好抗震計算，又要重視概念設計。一方面，要認真對地震作用、效應進行定量計算；另一方面，要選好場地，采用合理的建筑平面、立面，選擇合理的抗震結構體系，采用正確的構造措施。

（2）采用兩階段設計，滿足三個水準的抗震設防要求，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。兩階段抗震驗算要求，即第一階段采用小震地震動參數計算地震作用，進行允許彈性變形驗算，實現第一水準的設防要求，采用荷載分項系數的設計表達式進行結構構件的承載力驗算，近似實現第二水準的設防要求；第二階段設計時，采用大震地震動參數計算地震作用，進行結構彈塑性變形驗算，實現第三水準的設防要求。

（3）宜有多道抗震防線，避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構抗震能力或承載能力的喪失。

（4）使結構具有合理的剛度和強度分布，避免薄弱層或薄弱部位的出現。

（5）提高抗震結構構件的延性，改善其變形能力，應進行多遇或罕遇地震作用下的變形驗算。

通過以上知識的介紹和講解，學生深刻認識到，預應力混凝土結構抗震能力差的問題可以通過一些抗震措施得以緩解，從而擴大了預應力混凝土結構的應用范圍和領域。

四、多道抗震設防

針對鋼筋混凝土結構的抗震問題，可做的工作還很多。比如，《建筑抗震設計規范》對結構體系提出了多道抗震防線的要求，對在大震作用下結構抗倒塌具有重要意義。GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[6]增加了結構抗防連續倒塌設計的內容，要求采用超靜定結構，重要構件和關鍵傳力部位應增加冗余約束或多條傳力途徑。另外，特增加“結構方案”一節，由“構件計算”擴展到“結構設計”。強調結構選型、體系組構、構件布置、均勻規則、傳力途徑、冗余約束、縫的分割、連接構造、方便施工、綜合功能等要求，特別強調結構整體穩固性或魯棒性。本項修訂內容對轉變設計理念，即從傳統上強調構件設計，甚至截面設計向結構設計的轉變，起到了重要的推動作用[7]。對中小學校建筑，人群相對集中，又涉及未成年人，現在廣泛存在的大開間教室建筑結構，應該考慮在現有抗震防線的基礎上再增加一道抗震防線，從而提高此類建筑的抗震水平[8]。在這一方面，日本由于長期受地震災害的影響，積累了很多有益的經驗和做法。圖5為日本某大學的教學辦公樓以增設鋼架提高結構抗震性能。

圖 5日本某大學教學辦公樓的抗震增強措施

五、結語

建筑結構的抗震設防是地震設防區結構設計的一項重要內容。在鋼筋混凝土結構課程學習過程中向學生灌輸和滲透抗震設計的概念和思想對提高學生的學習興趣、增強抗震設計的基礎理論知識學習具有重要意義。不僅提高了學生對結構抗震設計重要性的認識，而且培養了學生對鋼筋混凝土結構學習的興趣，受到學生的普遍歡迎。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50011—2010建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 王立成，劉毅. 專業課程教學中創新思維的培養途徑研究[J]. 大連理工大學學報：社會科學版，2009，30（S2）： 22-24.

[3] 豐定國. 工程結構抗震[M]. 地震出版社，2002.

[4] 國內科技動態：新型約束混凝土結構讓高樓更堅固[EB/OL].[2013-12-01]. http：//ctixm.xmsme.gov.cn/2004-6/2004618162319.htm.

[5] 宋玉普，王立成，車軼. 鋼筋混凝土結構[M]. 機械工業出版社，2013.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50010—2010混凝土結構設計規范 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[7] 王立成. 2010版《混凝土結構設計規范》與混凝土結構課程教學內容的調整[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）：55-58.

[8] 王立成. 汶川地震后學校砌體建筑結構破壞情況調查與分析[J]. 大連理工大學學報，2009，49（5）： 650-656.