談鋼筋混凝土建筑如何實現抗震設防目標

吳 宗 羲

(邯鄲市第一中學，河北 邯鄲 056008)

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談鋼筋混凝土建筑如何實現抗震設防目標

吳 宗 羲

(邯鄲市第一中學，河北 邯鄲 056008)

介紹了我國建筑結構抗震設防堅持的基本原則，根據“小震不壞，中震可修，大震不倒”的結構設計要求，從強柱弱梁、強剪弱彎、抗震構造等方面，闡述了鋼筋混凝土建筑的設計措施，旨在提高建筑結構的抗震性能。

鋼筋混凝土結構，抗震設防，地震，結構延性

地震是一種破壞力極強的自然災害，重大地震會導致房倒屋塌、道路損壞、河道淤塞、堤壩潰決、人員死傷等一系列破壞。如何提高抗震能力，一直是各類建筑致力解決的問題。隨著科學技術的進步，尤其是建筑材料的更新，建筑物的抗震能力一直在不斷提高。為提高建筑物的抗震能力，世紀之交，我國的建筑逐漸淘汰了傳統的磚混結構而采用了鋼筋混凝土結構。目前，鋼筋混凝土結構已成為我國建筑結構的主體，被大多數建筑所采用。對于這種建筑結構，如何實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”這一抗震設防的目標是個急需解決的問題。現結合自己學到的物理學理論、建筑知識，對此問題略陳管見。

1)我國抗震設防堅持的是“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本原則。在當今社會，抗震設防工程既要保證基本的人物財產安全，也要視具體的國情和經濟實力而定。我國抗震設防“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本原則很好的體現了這一點。大地震發生的頻率和概率都比較小，幾十年一遇甚至上百年一遇，而中小地震的破壞力則相對有限，如果在平時抗震設防工程合理到位，地震應急機制和宣傳及時有效，中小地震所產生的損失可以大幅度降低。如果在抗震設防工程的設計中過于強調工程結構的強度來應對中大地震帶來的災害，就會投入大量的經濟資源和人力物力，而這些投入在大多數的時間內都是一種閑置狀態，不能最大限度的發揮其功用，這樣做是不符合我國的國情的。

按照不同的劃分標準，地震有不同的分類。小震、中震和大震根據地震出現的概率和重現期劃分時，依據如下：按照出現概率的高低劃分，小震的頻率最高，50年出現的概率是63%；中震50年出現的概率是10%，而大地震在50年出現的概率僅為2%～3%；而重現期按照小震、中震、大震的對比發現，其年數分別為50年，475年，1641年～2475年。通過概率和重現期可以發現，大震是屬于非常罕見的地震，雖然破壞力大，但次數較低，所以抗震設防要立足于發生概率更高的小震。

對結構設計而言，小震、中震和大震所產生的地震影響是不同的，其烈度也是逐漸增加的，對應的破壞程度則是呈現越來越大的趨勢。小震是指結構設計基準期內超越概率為63%的烈度水平的地震影響；中震是指結構設計基準期內超越概率為10%的烈度水平的地震影響；大震是指結構設計基準期內超越概率為2%～3%的烈度水平的地震影響。當結構基準期為50年時，小震烈度比中震烈度約小1.5度，大震烈度比中震烈度約大1度(當基本烈度為9度時不到1度)[1]。

2)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本要求。我國GB 50011—2001建筑抗震設計規范(以下簡稱“抗震規范”)給出了全國主要城鎮抗震設防烈度。“小震不壞”并不是當結構遭遇到當地抗震設防烈度的地震作用時，結構“不壞”，而是指按當地設防烈度大概降低1.5度左右的地震作用效應，即按“抗震規范”給定的當地抗震設防烈度對應的設計基本地震加速度地震作用效應和其他荷載效應的基本組合，驗算構件截面抗震承載力及結構的彈性變形，滿足“抗震規范”的要求。也即建筑結構基本上處在彈性變形狀態，并未發生非彈性變形，不必采取其他特殊措施就可安全正常使用。

“中震可修”，指當結構遭遇比“小震”更大的地震即“中震”時，地面運動的加速度大于當地設防烈度所對應的設計基本地震加速度時，結構將在一系列的控制部分進入非彈性變形狀態,結構會有一個很大的非彈性變形。其外部表現很可能是一個構件較大的裂縫,外部的墻體凸起或者脫落等,但這不會影響整體結構的安全效能。盡管結構將出現一定程度的破壞,但后期通過相應的維修工程或修理手段可以保證建筑繼續使用。

“大震不倒”，是指當大震發生時，即使結構產生的是非常大的非彈性變形，造成的是無法彌補的傷害，但它不應該會導致結構崩潰，危及人們的生命安全[2]。

3)鋼筋混凝土建筑如何實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”。對于鋼筋混凝土結構，根據結構本身相關特性，利用人為的影響措施，使結構在外力(含地震力)產生作用的同時，產生相應的非線性變化(彎曲、脫落等)來降低破壞程度。在非線性變形過程中外力(含地震力)做功轉變為熱能傳到空氣中，而使結構仍然能維持其承載力。上述結構的屬性，我們稱之為結構延性。通過精心設計結構的細部構造，保證結構的延性，就可增強鋼筋混凝土建筑物的抗震能力。實現“小震不壞”，比較簡單，而實現“中震可修，大震不倒”則較難。實現“中震可修，大震不倒”的抗震目標，主要是靠保證結構延性來實現。借此，地震的外力作用會使鋼筋混凝土結構在振動過程中產生非線性變形，進入自身的保護狀態，通過塑性變形減少地震傳輸到結構上的能量，進而降低地震對鋼筋混凝土建筑本身的破壞。同時，結構的阻尼也會增加地震能量的耗散，進一步減少地震對建筑的作用。此外，進入非彈性狀態后的鋼筋混凝土建筑，彈性剛度將會高于橫向剛度，相應的也拉長了自然振動周期，從而減少了地震的外力作用。因此，結構的延性對抗震設防工程發揮作用的成功與否是關鍵的，具有其他措施無法替代的作用。為了使鋼筋混凝土結構具有抗震所必需的延性，可采取下面三種措施：

a.強柱弱梁。結構的延性應建立在一個可接受的塑性變形結構的基礎之上，最小的非線性旋轉塑性鉸處決定了位移延性。因此，在選擇了合適的塑性變形結構之后就可以確定能量耗散位置。“梁柱鉸結構”作為我國通用的規范，簡言之也就是我們通常所說的“強柱弱梁”結構。其實施的具體要求則是在一定程度上人為的增大柱的彎曲承載力，而不過多采取其他措施。這種結構，從總體上來看，雖然比較強的是柱端，但在強烈地震作用下，柱端仍然有可能會進入屈服狀態，只不過梁端有更多的機會出現塑性鉸，也會出現較早、較大的塑性轉動；相對梁端來說，柱端出現塑性鉸較晚，塑性轉動的范圍也相對較小。我們通常的做法是，組合柱截面彎矩乘以增大系數；也可以通過實際加固梁端推算出梁端可以抵抗的彎矩。此外，要更加嚴格的控制柱的軸壓比，然后通過強化塑性鉸的約束區域末端，就可以使柱端具有所需要的、適當的塑性轉動能力且不至于崩潰。

b.強剪弱彎。剪切破壞基本上沒有延性,剪切破壞會使發生該破壞的部位徹底失去結構抗震能力,柱的剪切破壞也會導致局部或整體結構的崩潰。這就需要增加各種構件的抗剪能力,使其避免結構延性在未發揮作用之前出現非延性的剪切破壞，從而能夠應對強烈的地震作用來發揮延性作用。這就是我們常說的“強剪弱彎”。通常的做法是使用剪力增大系數增大各個部位的組合剪力值，并利用增大后的剪力值對相關截面進行驗算和設計。具體措施包括兩種類型:一種是直接在橫梁兩端的順時針或逆時針力矩乘以增大系數的值,然后與梁的垂直重力荷載代表值一起從平衡中計算梁端剪力。另一種是沿順時針或逆時針方向的橫梁部分的彎矩，乘以增大的系數,然后垂直重力作用在梁上,在相互平衡中計算梁端剪力。

c.加強抗震構造。鋼筋混凝土建筑中出現塑性鉸的部位在面對大震時會失去降低地震作用的塑性轉動能力和耗能能力。而要避免這一情況，就需要加強抗震構造，一般來說采用的方法是限制柱的軸壓比和箍筋加密。強柱弱梁、強剪弱彎以及加強抗震結構，是相互關聯、密不可分的三項措施。主要表現為：只有保證“強剪弱彎”才能實現“強柱弱梁”，因為只有塑性鉸區不發生早期的剪切破壞，梁柱塑性鉸區才會具有塑性轉動的前提條件。如果“強柱弱梁”作為抗震設防工程的首要措施要求嚴格，那么“加強地震構造”作為后續措施就可以要求相對寬松；如果在實施“強柱弱梁”措施時要求就比較寬松，那么對后續措施中加強抗震結構的要求就需要十分嚴格。原因就在于梁鉸結構和梁柱鉸結構中，柱彎矩增大系數同軸壓比和箍筋是呈現一個相互約束的機制，即二者是負相關的關系，當柱彎矩增大系數增大時，會降低對軸壓比和箍筋的約束，反之，則提高了對軸壓比和配箍的要求[3]。

簡而言之,對鋼筋混凝土建筑,只要抗震設計能夠對應相應地震烈度、地震加速度和其他荷載效應的基本組合, 檢查結構組件結構的承載力和彈性變形部分,滿足相應的規范要求,就可以實現“小震不壞”。要實現“中震可修”“大震不倒”的抗震設防目標，關鍵就在于要保證結構延性。通過人為措施，把結構控制為“強柱弱梁”和“強剪弱彎”，并采取如增加箍筋密度、約束柱的軸壓比之類抗震構造措施，使結構遭遇“中震”后可以修復。對于結構遭遇“大震”作用，就需要計算它的彈塑性變形來滿足“抗震規范”要求，實現“大震不倒”的抗震設防目標[4]。

[1] 同濟大學土木工程學院.怎樣理解小震、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.小震不壞,中震可修,大震不倒[EB/OL].新浪網.http://news.sina.com.cn/c/2006-07-10/09099417157s.shtml.[2006-07-10].

[3] 劉祖強.型鋼混凝土異形柱框架抗震性能及設計方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[4] 孫治國.鋼筋混凝土橋墩抗震變形能力研究[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，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

吳宗羲(1999- )，男，在讀學生

TU352

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