1、地震力作用下混凝土結構的破壞特點和抗震措施地震災害是人類面臨的嚴重自然災害之一。地震具有突發(fā)性的特點,至今可預報性仍然很低。強烈地震常造成人身和財產的巨大損失。我國屬地震多發(fā)國家,需要考慮抗震設防的地域遼闊,因此研究結構的抗震性能在我國具有充分的必要性。一、結構在地震下的主要特點地震以波的形式從震源(地面上的相對位置稱震中)向周圍快速傳播，通過巖土和地基，使建筑物的基礎和上部結構產生不規(guī)則的往復振動和激烈的變形。結構在地震時發(fā)生的相應運動稱為地震反應，包括位移、速度、加速度。同時，結構內部發(fā)生很大的內力(應力)和變形，當它們超過了材料和構件的各項極限值后，結構將出現(xiàn)各種不同程度的破壞現(xiàn)象，例如

2、混凝土裂縫，鋼筋屈服，顯著的殘余變形，局部的破損，碎塊或構件墜落，整體結構傾斜，甚至倒塌等等。在震中區(qū)附近，地面運動的垂直方向振動激烈，且頻率高，水平方向振動較弱；距震中較遠處，垂直方向的振動衰減快，其加速度峰值約為水平方向加速度峰值的1213。因此，對地震區(qū)的大部分建筑而言，水平方向的振動是引起結構強烈反應和破壞的主要因素。鋼筋混凝土結構在地震作用下受力性能的主要特點有：1、結構的抗震能力和安全性，不僅取決于構件的(靜)承載力，還在很大程度上取決于其變形性能和動力響應。地震時結構上作用的“荷載”是結構反應加速度和質量引起的慣性力，它不像靜荷載那樣具有確定的數(shù)值。變形較大，延性好的結構，能夠耗

3、散更多的地震能量，地震的反應就減小，“荷載”小，町能損傷輕而更為安全。相反，靜承載力大的結構，可能因為剛度大、重量大、延性差而招致更嚴重的破壞。2、屈服后的工作階段當發(fā)生的地震達到或超出設防烈度時，按照我國現(xiàn)行規(guī)范的設計原則和方法，鋼筋混凝土結構一般都將出現(xiàn)不同程度的損傷。構件和節(jié)點受力較大處普遍出現(xiàn)裂縫，有些寬度較大；部分受拉鋼筋屈服，有殘余變形；構件表面局部破損剝落等。但結構不致倒塌。3、“荷載”低周的反復作用地震時結構在水平方向的往復振動，使結構的內力(主要是彎矩和剪力，有時也有軸力)發(fā)生正負交變。由于地震的時間不長且結構具有阻尼，荷載交變的反復次數(shù)不多(即低周)。所以，必須研究鋼筋混凝

4、土構件在低周交變荷載作用下的滯回特征。4、變形大地震時結構有很大變形。例如橋墩的側向位移等。一方面對結構本身產生不利影響，如柱的二階(PA)效應，增大附加彎矩，甚至引起失穩(wěn)或傾覆，構造縫相鄰結構的碰撞等；另一方面造成非結構部件的破損，橋梁上部結構的脫落等破壞。故抗震結構設計時要控制其總變形。二、單調荷載下的延性1、材料、構件或結構的延性通常定義為在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形的能力。它包括兩個方面的能力：(1)承受較大的非彈性變形，同時強度沒有明顯下降的能力。(2)利用滯回特性吸收能量的能力。廣義力一變形曲線可以概括地說明延性的概念。其中一條曲線在經過彈性變形、塑性應變之后在硬化充分

5、發(fā)展后軟化；而另一條在達到其承載能力之后沒有或幾乎沒有硬化過程而直接軟化，有明顯的尖峰。前者稱為延性而后者稱為脆性。在實際工程中判斷結構的脆性或延性有重大的意義，可從延性結構的優(yōu)越性加以說明：(1)破壞前有明顯預兆，破壞過程緩慢，因而可采用偏小的計算安全可靠度。(2)出現(xiàn)非預計荷載，例如偶然超載，荷載反向，溫度升高或基礎沉降引起附加內力等情況下，有較強的承受和抗衡能力。(3)有利于實現(xiàn)超靜定結構的內力充分重分布。(4)在承受動力作用(如振動、地震、爆炸等)情況下，能減小慣性力，吸收更大動能，減輕破壞程度，有利于修復。(5)延性結構的后期變形能力，可以作為各種意外情況時的安全儲備。2延性指標在利

6、用延性特性設計抗震結構時，首先必須確定度量延性的量化指標。衡量結構和材料的延性一般用延性系數(shù)，其定義為：在保持結構或材料的基本承載能力的情況下，極限變形0u和初始屈服變形D，的比值，即：當廣義變形D定義為具體物理量時，就有相應的延性系數(shù)，如截面曲率延性系數(shù)P構件或結構的位移延性系數(shù)B、轉角延性系數(shù)B等，則：最常用的是曲率延性系數(shù)(也稱曲率延性比)和位移延性系數(shù)(也稱位移延性比)。曲率延性系數(shù)通常用于反映構件臨界截面的相對延性，位移延性系數(shù)則用于反映構件局部或結構整體的相對延性。一般認為鋼筋混凝土抗震結構要求的延性系數(shù)為B=3-4。要想更好的執(zhí)行規(guī)范就必須明確抗震規(guī)范制定的基本思想，明確抗震設計

7、的基本原則。下面著重從以下幾個方面做以闡述。三在地震作用下， 一味地追求結構的強度并不可取，結構的延性是非常重要的地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震，50 年出現(xiàn)的概率大約為63 % ，重現(xiàn)期為50 年。中震是指50 年出現(xiàn)的概率約為10 % ，重現(xiàn)期為475 年。而大震指的是罕遇地震，50 年出現(xiàn)的概率為2 %3 % ，重現(xiàn)期為16412475 年。對于偶然性和隨機性很大的地震荷載，要想使結構強度一定大于結構反應，幾乎是不可能的，而且是十分不經濟的。受社會承受犧牲的能力和經濟制約的因素，我們只能從概率的角度出發(fā)，使結構在一定的概率保證下能安全正常地發(fā)揮作用。這就決定了抗震設計的

8、基本原則，在我國即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。在“小震”作用下，要求結構不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)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(tài)，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(tài)；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。中震大概相當于我們的設防烈度地震，當遭遇到中震作用時，結構可以有一定程度的損壞，經修復或不經修復仍可繼續(xù)使用。從經濟角度來說，維修費用不能太高。對發(fā)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(fā)生危及生

9、命的嚴重破壞。這樣一個抗震設防目標是非常經濟合理的。因為地震的發(fā)生太偶然，倘使我們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，這將會使極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(fā)揮作用的狀態(tài)，這樣做是不明智的。在上述設計原則指導下，就要求結構處于這樣一種狀況：當小震來臨，應確保所有的結構構件在抵抗地震作用力時，具有足夠的強度，使其基本上處于彈性狀態(tài)。并通過驗算小震作用下的彈性位移共同來保證結構不壞。處于這個階段的結構構件不會發(fā)生明顯的非線性變形，也不必需要采取特殊的構造措施。在中震作用下，結構的某些關鍵部位超過彈性強度，進入屈服，發(fā)生較大變形，達到非線形階段，這

10、時，我們就特別提出延性要求（延性指當?shù)卣鹌仁菇Y構發(fā)生較大的非線性變形時，結構仍能維持其初始強度的能力，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，它是抗震設計當中一個非常重要的特性） .當中震來臨的時候，因為結構具有非彈性特征，某些關鍵部位超過其彈性強度，進入塑性狀態(tài)。由于它有一定的延性，它的非線性能夠承擔塑性變形，使它在變形中能夠耗費和吸收地震能量。代價是可能導致較寬的裂縫，混凝土表皮起殼、脫落，可能有一定的殘余變形，但不至于導致安全失效，以達到中震可修的設防目標。處于這個階段的結構，對延性就會提出相應的要求，而延性就要靠精心

11、設計的細部構造措施來保證。當大震來臨的時候，結構的非線性變形非常大，也可能發(fā)生不可修復的破壞。處于這個階段的結構就需要通過計算它的彈塑性變形來保證結構不致倒塌。所以，通常我們只需要按小震作用效應和其它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。而中震作用效應則需要結構靠一定的塑性變形能力（即延性） 來抵抗。所以結構延性對建筑抗震是極其重要的。四 地震力降低系數(shù)的大小決定了設計地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小 由上所述，用于承載力設計的地震作用可以取到小震水平，當更大的地震來臨的時候，則靠結構的延性去抵抗。所以，我們并不取用設防烈度地震作用力來進行結構承載力設計，而需

12、要把設防烈度地震力降低一個系數(shù)，稱為地震力降低系數(shù)。地震力降低系數(shù)取得越大，設計地震作用就取得越小；地震力降低系數(shù)取得越小，設計地震作用就取得越大。在同一個設防烈度下，地震力降低系數(shù)取得越大，地震作用就越小，那么按此小的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越低，意味著結構在相應強烈程度地震下形成的非彈性變形就越大，這就要求結構具有較大的延性來保證它較大的非彈性變形的實現(xiàn)，因而對延性提出的要求就更高。這一延性等級的結構即為較低設計地震力取值2較高延性要求的“高延性等級”結構。地震力降低系數(shù)取得越小，地震作用就越大，那么按此大的地震作用設計出來的結構的屈服水準就越高，意味著結構在相應強烈程度地震下形

13、成的非彈性變形就越小，這就只需要要求結構具有較小的延性來保證它較小的非彈性變形的實現(xiàn)，因而對延性提出的要求就越低。這一延性等級的結構即為較高設計地震力取值2較低延性要求的“低延性等級”結構。同理，在同一個設防烈度下，地震力降低系數(shù)取為中等，地震作用也為中等，因而對延性提出的要求也為中等。這一延性等級的結構即為中等設計地震力取值2中等延性要求的“中等延性等級”結構。這樣，地震力降低系數(shù)的大小實際上就決定了設計地震力取值的大小，從而決定了對延性要求的大小。中國規(guī)范規(guī)定把設防烈度地震作用降低約3 倍來進行承載力設計，即設防烈度地震作用反應譜除以地震承載力降低系數(shù)3 ，而得到設計所用的反應譜。并且中國

14、規(guī)范按設防烈度從大到小對結構延性提出了從高到低的要求，具體是用抗震等級來表示，共分為一級、二級、三級、四級四個等級。初步印象是：中國的地震力降低系數(shù)的取值偏低。這似乎說明中國的地震力取值較高，因而并不需要對結構提出高延性要求。其實不然，在對比了中國和西方國家的設防地震作用反應譜曲線之后，我們發(fā)現(xiàn)，在中長周期范圍內，西方要比中國高，也就是說，中國在較低的反應譜水平下降低3 倍，跟西方在較高的反應譜水平下降低5 倍，甚至更多之后的作用水平是相差不多的，這就說明，中國對抗震結構應提出相當于西方地震力降低系數(shù)等于5 ，甚至高一檔次的高延性要求。五. 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

15、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(xiàn)抗震設防目標。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個方面內容：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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個較為穩(wěn)定的塑性耗能機構和較大的塑性耗能能力。2.“強剪弱彎”：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(jié)點的

16、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(fā)生剪切破壞。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(tǒng)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(xiàn)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(yōu)先引導梁端出塑性鉸為前提。新西蘭的抗震研究者認為耗能機構宜采用符合塑性力學中的“理想梁鉸機構”，即梁端全部形成塑性鉸，同時底層柱底也都形成塑性鉸的“全結構塑性機構”。其具體做法是通過結構分析得到各構件組合內力值后，對梁端截面就按組合彎矩進行截面設計；而對除底層柱底以外的柱

17、截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進行設計；對底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進行截面設計。通過這一做法實現(xiàn)在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層柱底塑性鉸出現(xiàn)遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現(xiàn)塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機構”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強系數(shù)。美國抗震界則認為新西蘭取的柱彎矩增強系數(shù)過大，根據(jù)經驗取了較小的柱彎矩增強系數(shù)，這一做法使結構在大震引起的非彈性變形過程中，梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對較遲，梁端塑性鉸形成的較普遍，柱端塑性鉸形成的相對少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機構”。新西蘭抗震措施的好處在于

18、“理想梁鉸機構”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時因為除底層柱底外的其它柱端不出現(xiàn)塑性鉸，也就不必再對這些柱端加更多的箍筋。但是這種思路過于受塑性力學形成理想機構概念的制約，總認為底層柱底應該形成塑性鉸，這樣就對底層柱底提出了較嚴格的軸壓比要求，同時還要用足夠多的箍筋來使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發(fā)生破壞很容易導致結構整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢。因此很多研究者認為不需要被塑性力學的機構概念所限制，只要能在大震下實現(xiàn)以下的塑性耗能機構，就能保證抗震設計的基本要求：1.以梁端塑性鉸耗能為主；2.不限制柱端塑性鉸出現(xiàn)（包括底層柱底），但是通過適當增強柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉動離其塑性轉動能力有足夠裕量；3.同層各柱上下端不同時處于塑性變形狀態(tài)。六、四結語經濟和安全的關系，是結構抗震設計的重要技術政策。從長遠觀點看，如何從我國高層建筑抗震設計現(xiàn)狀及國際高層抗震設計發(fā)展的趨勢出發(fā)，探求一種新型的結構與材料的應用，應該成為地震區(qū)高層建筑發(fā)展的新方向。高志東2009-12-25參