抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

朱劍鋒

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路的概述

地震具有隨機(jī)性、不確定性和復(fù)雜性，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前是很難做到的。而建筑物本身又是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，在遭受地震作用后其破壞機(jī)理和破壞過(guò)程十分復(fù)雜。且在結(jié)構(gòu)分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，也存在著不確定性。按照結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題，既注意總體布置上的大原則，又顧及關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)構(gòu)造，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力[1]。

2 現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路及關(guān)系在當(dāng)前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路，其主要內(nèi)容是

2.1 合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)的地震作用

一般先以具有統(tǒng)計(jì)意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強(qiáng)弱標(biāo)志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系數(shù)）得到不同的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度（即小震的）來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而確定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)。

2.2 制定有效的抗震措施使結(jié)構(gòu)確實(shí)具備設(shè)計(jì)時(shí)采用的R所對(duì)應(yīng)的延性能力

其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施（強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎）和抗震構(gòu)造措施。現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念是基于對(duì)結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究上建立起來(lái)的，其核心是關(guān)系，關(guān)系主要指在不同滯回規(guī)律和地面運(yùn)動(dòng)特征下，結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)與自振周期以及最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)間的關(guān)系。其中R為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡(jiǎn)稱地震力降低系數(shù)；而為最大非彈性反應(yīng)位移與屈服位移之比，稱為位移延性系數(shù)；T則為按彈性剛度求得的結(jié)構(gòu)自振周期。

把結(jié)構(gòu)用來(lái)做承載能力設(shè)計(jì)的地震作用取的越低，即R越大，則結(jié)構(gòu)在與彈性反應(yīng)時(shí)相同的地震作用下達(dá)到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。這意味著結(jié)構(gòu)必須具有更高的塑性變形能力。規(guī)律初步揭示出不同彈性周期的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其彈塑性屈服水準(zhǔn)取值大小不同時(shí)，在同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下屈服水準(zhǔn)與所達(dá)到的最大非彈性位移之間的關(guān)系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準(zhǔn)不高的結(jié)構(gòu)在較大地震引起的非彈性動(dòng)力反應(yīng)中不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞和倒塌的主要原因。讓人們認(rèn)識(shí)到延性在抗震設(shè)計(jì)中的重要性。之所以存在上訴的規(guī)律，我們應(yīng)該注意到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一些相關(guān)特性[2]。

3 保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震措施合理選擇了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和延性要求后，就需要通過(guò)抗震措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)確實(shí)具有所需的延性能力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。

系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容。

3.1“強(qiáng)柱弱梁”

人為增大柱相對(duì)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(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個(gè)較為穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)和較大的塑性耗能能力。

3.2“強(qiáng)剪弱彎”

剪切破壞基本上沒有延性，一旦某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對(duì)于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，使結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中其任何構(gòu)件都不會(huì)先發(fā)生剪切破壞。

3.3 抗震構(gòu)造措施

通過(guò)抗震構(gòu)造措施來(lái)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(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性。

這一系統(tǒng)的抗震措施理念已被世界各國(guó)所接受，但是對(duì)于耗能機(jī)構(gòu)卻出現(xiàn)了以新西蘭和美國(guó)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(yōu)先引導(dǎo)梁端出塑性鉸為前提[3]。

4 常用抗震分析方法

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們需要確定用來(lái)進(jìn)行內(nèi)力組合及截面設(shè)計(jì)的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反應(yīng)譜法，彈性時(shí)程分析方法來(lái)計(jì)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(jiǎn)便，適用于質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻的結(jié)構(gòu)。它的大致思路是通過(guò)估計(jì)結(jié)構(gòu)的第一振型周期來(lái)確定地震影響系數(shù)，再結(jié)合結(jié)構(gòu)的重力荷載來(lái)確定總的水平地震作用，然后按一定方式分配至各層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析是抗震研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，非線性時(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的非線性時(shí)程分析法（非線性動(dòng)力反應(yīng)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(fā)展的建立在截面纖維滯回本構(gòu)規(guī)律的纖維模型法，模擬的準(zhǔn)確程度正在不斷提高。其基本思路是通過(guò)一系列數(shù)值方法建立和求解動(dòng)力方程從而得到結(jié)構(gòu)各個(gè)時(shí)刻的反應(yīng)量。但由于對(duì)地震特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特性所做的假設(shè)，其結(jié)果存在不確定性，其主要價(jià)值是用來(lái)考察地震作用下普遍的而非特定的反應(yīng)規(guī)律，以及對(duì)抗震設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核分析，評(píng)估其抗震性能。在達(dá)到目標(biāo)位移時(shí)停止荷載遞增，最后在荷載中止?fàn)顟B(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估，判斷是否可以保證結(jié)構(gòu)在該水平地震作用下滿足功能需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路提出至今，世界各國(guó)的抗震學(xué)術(shù)界和工程界又取得了許多新的成果，比如進(jìn)行了大量鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn)；通過(guò)迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)編制了準(zhǔn)確性更好的非線性動(dòng)力反應(yīng)程序；在設(shè)計(jì)方法上也不再拘泥于以前單一的基于力的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法，開始嘗試基于性能和位移的新的抗震設(shè)計(jì)理念。在這樣的環(huán)境中，我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)思路也應(yīng)該在完善自身不足的同時(shí)，不斷向前發(fā)展。