抗震結構設計理念的應用與設計要點分析

朱劍鋒

信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司江西分院 江西 南昌 330000

1 抗震設計思路的概述

地震具有隨機性、不確定性和復雜性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數，目前是很難做到的。而建筑物本身又是一個龐大復雜的系統，在遭受地震作用后其破壞機理和破壞過程十分復雜。且在結構分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，也存在著不確定性。按照結構的破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及關鍵部位的細節構造，從根本上提高結構的抗震能力[1]。

2 現代抗震設計思路及關系在當前抗震理論下形成的現代抗震設計思路，其主要內容是

2.1 合理選擇確定結構屈服水準的地震作用

一般先以具有統計意義的地面峰值加速度作為該地區地震強弱標志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數）得到不同的設計用地面運動加速度（即小震的）來進行結構的強度設計，從而確定了結構的屈服水準。

2.2 制定有效的抗震措施使結構確實具備設計時采用的R所對應的延性能力

其中主要包括內力調整措施（強柱弱梁、強剪弱彎）和抗震構造措施。現代抗震設計理念是基于對結構非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是關系，關系主要指在不同滯回規律和地面運動特征下，結構的屈服水準與自振周期以及最大非彈性動力反應間的關系。其中R為彈塑性反應地震力降低系數，簡稱地震力降低系數；而為最大非彈性反應位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數；T則為按彈性剛度求得的結構自振周期。

把結構用來做承載能力設計的地震作用取的越低，即R越大，則結構在與彈性反應時相同的地震作用下達到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。這意味著結構必須具有更高的塑性變形能力。規律初步揭示出不同彈性周期的結構，當其彈塑性屈服水準取值大小不同時，在同一地面運動輸入下屈服水準與所達到的最大非彈性位移之間的關系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準不高的結構在較大地震引起的非彈性動力反應中不致發生嚴重損壞和倒塌的主要原因。讓人們認識到延性在抗震設計中的重要性。之所以存在上訴的規律，我們應該注意到鋼筋混凝土結構的一些相關特性[2]。

3 保證結構延性能力的抗震措施合理選擇了結構的屈服水準和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結構確實具有所需的延性能力，從而保證結構在中震、大震下實現抗震設防目標。

系統的抗震措施包括以下幾個方面內容。

3.1“強柱弱梁”

人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現較早，在達到最大非線性位移時塑性轉動較大；而柱端塑性鉸出現較晚，在達到最大非線性位移時塑性轉動較小，甚至根本不出現塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩定的塑性耗能機構和較大的塑性耗能能力。

3.2“強剪弱彎”

剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發生剪切破壞，該部位就將徹底退出結構抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導致結構的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節點的組合剪力值，使結構能在大震下的交替非彈性變形中其任何構件都不會先發生剪切破壞。

3.3 抗震構造措施

通過抗震構造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時保證結構的整體性。

這一系統的抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對于耗能機構卻出現了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。首先，這兩種思路都是以優先引導梁端出塑性鉸為前提[3]。

4 常用抗震分析方法

在結構設計中，我們需要確定用來進行內力組合及截面設計的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反應譜法，彈性時程分析方法來計算該地震作用值，這三種方法都是彈性分析方法。其中，底部剪力法最簡便，適用于質量、剛度沿高度分布較均勻的結構。它的大致思路是通過估計結構的第一振型周期來確定地震影響系數，再結合結構的重力荷載來確定總的水平地震作用，然后按一定方式分配至各層進行結構設計。

對結構抗震性能進行分析是抗震研究的一項重要內容，非線性時程分析，非線性靜力分析是目前常用的幾種抗震分析方法。其中針對結構非線性反應的非線性時程分析法（非線性動力反應分析），從建立在層模型或單列梁柱模型上的方法到建立在截面多彈簧模型上的方法，再到目前正在研究發展的建立在截面纖維滯回本構規律的纖維模型法，模擬的準確程度正在不斷提高。其基本思路是通過一系列數值方法建立和求解動力方程從而得到結構各個時刻的反應量。但由于對地震特點和結構特性所做的假設，其結果存在不確定性，其主要價值是用來考察地震作用下普遍的而非特定的反應規律，以及對抗震設計后的結構進行校核分析，評估其抗震性能。在達到目標位移時停止荷載遞增，最后在荷載中止狀態對結構進行抗震性能評估，判斷是否可以保證結構在該水平地震作用下滿足功能需求。

5 結束語

從現代抗震設計思路提出至今，世界各國的抗震學術界和工程界又取得了許多新的成果，比如進行了大量鋼筋混凝土構件的抗震性能試驗；通過迅速發展的計算機技術編制了準確性更好的非線性動力反應程序；在設計方法上也不再拘泥于以前單一的基于力的傳統抗震設計方法，開始嘗試基于性能和位移的新的抗震設計理念。在這樣的環境中，我國的抗震設計思路也應該在完善自身不足的同時，不斷向前發展。