鋼筋混凝土結構綜合抗震能力評價

王 成 王若雨

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.北京市陳經綸中學，北京 100020)

鋼筋混凝土結構綜合抗震能力評價

王 成1王若雨2

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.北京市陳經綸中學，北京 100020)

結合相關規范要求，分析了鋼筋混凝土結構的抗震設計參數，主要從結構延性設計和地震作用取值兩方面，探討了鋼筋混凝土結構的綜合抗震能力，從而確保鋼筋混凝土結構的安全性。

鋼筋混凝土結構，抗震能力，地震作用，延性

0 引言

1824年波特蘭水泥的發明極大促進了混凝土的使用，直至后來的鋼筋混凝土。如今，鋼筋混凝土結構已廣泛應用于土木工程的各個領域，同時人們越來越清晰的認識到自然災害，特別是地震災害已經成為制約鋼筋混凝土結構發展的重要因素之一。本文根據我國防震減災法和地震動參數區劃圖，針對我國已有建筑抗震設計規范，結合具體工程實例，較為全面評價了鋼筋混凝土結構綜合抗震能力。

1 鋼筋混凝土結構地震作用

《中華人民共和國防震減災法》規定：建筑抗震設防必須按照國家頒布的地震烈度區劃圖或地震動參數區劃圖的要求進行。地震動反應譜特征周期等基本參數和設防地震烈度與動峰值加速度對應關系在《中國地震動參數區劃圖》中列出。國家地震區劃圖的場地條件是Ⅱ類場地、概率水平是50年超越概率10%。加速度區劃圖共7個區，加速度值分別是：小于0.05g，0.05g，0.10g，0.15g，0.20g，0.30g，不小于0.40g。與中國地震烈度區劃圖相比，加速度區劃圖多出了兩個分區，即加速度值為0.15g的分區和0.30g的分區。考慮到概念設計的需要，0.10g區和0.15g區的烈度值為7度，0.20g區和0.30g區的烈度值為8度。峰值加速度的分區原則見表1。

反應譜特征周期區劃圖共3個區,特征周期分別為：0.35 s(1區)，0.40 s(2區)，0.45 s(3區)。特征周期區劃圖勾勒了由地震環境控制的地震反應譜形狀。不同的場地土層條件、不同的特征周期分區，Tg值應按表2調整。近年來，深入研究強地面運動記錄以及重大工程地震安全性評價發現場地條件不僅影響地震反應譜特征周期，而且極大的影響著地震動峰值[1]。

表1 加速度分區原則

表2 不同土層條件的Tg值 s

在各國現行抗震設計規范中，大部分抗震設計方法是“R-μ基本準則”和基于彈性反應譜理論的通用抗震設計方法。其主要思路是通過地震力降低系數R將基準設防地震作用水準降到相對偏低的地震作用水準，再通過能力設計措施力求保證結構在強震下的反應需求[2]。我國《建筑抗震設計規范》在承載能力極限狀態驗算時選取了設防水準一的地震影響系數，即在基準設防地震作用水準的基礎上，不論結構類型差異多大，統一取地震力降低系數R約為3[3]。表3是基準設防地震下的加速度、影響系數最大值αmaxⅡ與多遇地震下的加速度、影響系數最大值αmaxⅠ及其比值。已有的研究表明:固有特性不同的各種結構統一取用相同R值是一個值得進一步討論的問題。

《建筑抗震設計規范》對特征周期的解釋為：反映地震震級、震中距和場地類別等因素的地震影響曲線下降段起始點對應的周期值。也就是說，表2中的特征周期僅適用于設防烈度地震，不適用于多遇地震和罕遇地震，而且《建筑抗震設計規范》并未提供多遇地震和罕遇地震的地震加速度和對應的特征周期。

表3 地震加速度和影響系數最大值αmax

抗震設計譜是根據地震動加速度反應譜特性,經統計分析處理并結合經驗判斷確定的。世界各國的抗震規范都不同程度的考慮了場地條件對地震動參數的影響，從1994版美國NEHRP規范開始，美國抗震設計規范同時使用Fa和Fv兩個場地系數，考慮場地條件對特征周期和地震動峰值加速度的影響。2003版NEHRP中仍使用上述場地系數(Building Seismic Safety Council，2004)。在我國《建筑抗震設計規范》中，未考慮地震動峰值加速度和加速度反應譜平臺值在不同類別場地條件下的變化。

2 鋼筋混凝土結構抗震能力

2.1 鋼筋混凝土結構延性的考慮

根據震害經驗和試驗研究成果,各國學者已經認識到,按設防烈度地震下的峰值反應加速度來確定結構的設計地震力很不經濟,取不同結構自振周期段經過地震力降低系數R以不同程度降低后的峰值反應加速度作為設計峰值反應加速度是合理的,再由它確定設計地震力,世界各國規范對R取值基本在1.5～8.5之間。若結構R取值較大，并能具有可以接受的抗震性能，就必須提高其控制部位的非彈性變形能力。在這種情況下，即使發生超過設計地震力的地震,這些進入屈服的控制部位通過往復非彈性變形過程中的塑性耗能來耗散地震輸入的能量，進而能夠使結構在較強地震中不致損傷過重,特別是在罕遇地震中不會發生倒塌。

建筑物的抗震能力和安全性,一方面取決于構件的(靜)承載力,另一方面也取決于其變形性能和動力響應,即結構的抗震能力是由承載能力和變形能力共同決定的，所以地震區的結構物應設計成抗震性能好的延性結構。將建筑物設計成在相應地震力取值水準下的延性結構,則用不同設計地震力水準所設計的結構(在R的某個變化范圍內)都可以滿足在設防烈度下損傷不過于嚴重，并能達到在更大地震下倒塌風險較小的抗震設防目標。從定量角度來分析,這些結構在不同強烈程度地震下的反應特征稍有一些差異。例如：若某次地震形成的彈性反應地震力為0.5P,則按0.5P地震力設計的結構某關鍵構件恰好屈服,而按0.4P設計的該構件就已經進入了屈服后狀態,按0.2P設計的結構的該構件將達到更大的屈服后變形。在這種抗震設計思路中，設計地震力起著控制結構屈服水準的作用。所以諸如歐洲共同體的EC 8(1994)、新西蘭的NZS 3101(1995)、美國UBC規范(1997)和日本的AIJ設計指南(1990)等都把地震作用的作用系數取為1.0，即認為地震作用的隨機性多表現在延性反應隨機變量性質上[4]，在設計地震力取值上不再考慮。當前世界上只有少數規范作用系數大于1,我國抗震設計規范地震力作用系數取1.3。

通過能力設計法,使塑性變形主要集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構件上，進而確保鋼筋混凝土結構在地震作用過程中表現出必要的延性。選擇理論上可行、經濟上可接受的塑性變形機構，就能夠精準地確定能量耗散部位。目前對于鋼筋混凝土結構，主要存在兩種理論上可行的方案:梁鉸機構和梁柱鉸機構。梁柱鉸機構提高了柱的塑性變形能力,在實際工程中,縱筋用量相對較少,箍筋用量相對較多[7]。根據國情實際，在一定程度上，我國規范參考了梁柱鉸機構模式，具體體現為強柱弱梁、強剪弱彎等基本理念。

2.2 鋼筋混凝土結構超強的考慮

在強震下的非彈性動力反應過程中,結構的實際屈服水準一般明顯高于設計地震作用水準,即為結構超強[6]。

地震災害具有突發性，且可預報性很低，所以雖然房屋結構采用了抗震設計，但發生超過設計“大震”的可能性依然存在，而且實際地震作用的分布模式和頻譜成分也不可能與設計計算地震作用完全相同。如：2008年5·12汶川大地震,當地設防烈度為6度～7度、設計“大震”為8度,而實際上達到了9度～11度。 再如：1966年邢臺地震，設防7度，實際10度；2010年玉樹地震，設防烈度為7度,實際達到9度[7]。所以，鋼筋混凝土結構超強設計具有很強的現實意義，會在很大程度上改變地震后房屋大量倒塌的現象。

關于結構延性需求μ、地震力降低系數R、結構初始彈性基本周期T的研究表明:結構可以按設計地震作用參與的荷載組合進行承載能力設計，且能在強震下沒有嚴重損傷或倒塌的關鍵是必須對鋼筋混凝土結構的塑性變形和塑性耗能能力進行良好的設計。實際結構R和μ的取值需根據震害、實際經驗、單(多)自由度體系R-μ基本規律綜合確定。在設計地震作用參與的荷載組合對結構設計起控制作用時,隨著R值的增大，結構在相應強震水準下的延性需求μ也會相應增大，為保證結構具備相應延性而采取的抗震措施的嚴格程度也應相應提高。也就是當R值不變時,抗震措施嚴格程度也應基本保持不變。表4是各國設計規范遵循的地震力降低系數、延性等級與抗震措施的對應關系，即R-μ關系。

根據上述原則，從表4對比可知:加拿大、美國、歐盟和新西蘭四國相關設計規范遵循的延性等級、地震力降低系數與抗震措施的對應關系是較為合理的，而我國相關設計規范遵循的對應關系值得商榷。

表4 地震力降低系數、延性等級、抗震措施對應關系

通常情況下，對于特定重要的某種類型的結構,不論其所處地震區風險的高低,在地震力降低系數R減小情況下,抗震措施的嚴格程度應相應放松。我國設計規范在地震力降低系數R值基本保持不變的情況下，對于特定重要的某種類型的結構，不論設計地震作用參與的荷載組合對結構設計是否起控制作用，據抗震等級選用抗震措施的嚴格程度總體上為隨烈度區降低而逐漸減弱的趨勢,特別是2級抗震等級相對于1級抗震等級的規定減弱明顯。這一做法往往會導致8度區2級抗震等級框架結構性態控制效果相對于8度區1級抗震等級框架結構和9度區框架結構性態控制效果的偏差。

在選用設計地震作用時,加拿大NBCC 2005、美國IBC 2003、新西蘭NZS 4203、歐盟EC 8(2005)都不同程度地考慮了結構超強影響。雖然依據的研究成果可能還不夠充分,但對結構超強性能作認真考慮無疑是必要的。

3 結語

結構延性設計、地震作用取值始終是鋼筋混凝土結構綜合抗震性能的核心問題，由此而進行的承載能力驗算、位移變形驗算、細部連接驗算、構造措施選用等構成了其實際設計和評價的主要內容。隨著越來越多已建和在建鋼筋混凝土結構的實際性能表現，以及相關理論的飛速發展，鋼筋混凝土結構的綜合抗震能力評估研究會日趨完善。

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The synthetic evaluation of seismic capacity of reinforced concrete structures

Wang Cheng1Wang Ruoyu2

(1.CCCCFourthHighwayEngineeringCo.,Ltd,Beijing100022，China; 2.BeijingChenjinglunHighSchool,Beijing100020,China)

Combining with the relevant regulations requirements, this paper analyzed the seismic design parameters of reinforced concrete structure, mainly from the structure ductility design and earthquake action value two aspects, discussed the comprehensive seismic capacity of reinforced concrete structure, so as to ensure the safety of reinforced concrete structure.

reinforced concrete structure, seismic capacity, seismic action, ductility

1009-6825(2017)02-0054-03

2016-11-09

王 成(1970- )，男，博士，教授級高級工程師，國家一級注冊結構工程師

TU352

A