1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路與認(rèn)識(shí)一.對抗震設(shè)計(jì)思想的簡要審查建筑結(jié)構(gòu)的歷史發(fā)展是隨著人們對地震動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識(shí)的加深而逐步發(fā)展起來的，自誕生一百年以來，大致有以下發(fā)展階段。(1)靜態(tài)階段，日本大三防路教授通過當(dāng)時(shí)有限的損害觀測和理論認(rèn)識(shí)提出的抗震設(shè)計(jì)理論，僅適用于剛體結(jié)構(gòu)。在不考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和場地差異對建筑結(jié)構(gòu)的影響的情況下，對所有結(jié)構(gòu)使用統(tǒng)一的水平地震V=kW(k0.1)。w考慮結(jié)構(gòu)的重量)地震效果的影響。(2)隨著反應(yīng)頻譜階段、實(shí)際地震記錄的獲取和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論的發(fā)展，1940年美國Biot提出了彈性反應(yīng)譜的概念。反應(yīng)譜是在單個(gè)自由彈性系統(tǒng)獲得的眾多地震記錄的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)周期和響應(yīng)之

2、間的關(guān)系，包括加速反應(yīng)頻譜、速度反應(yīng)頻譜、變位反應(yīng)頻譜。它綜合考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，至今仍是各國規(guī)范設(shè)計(jì)地震力量的基礎(chǔ)。地震力的計(jì)算經(jīng)常使用底部剪切力和模式分解反應(yīng)頻譜方法。模式分解反應(yīng)頻譜方法的基本概念假定建筑結(jié)構(gòu)是線性彈性的多自由度系統(tǒng)，使用模式分解和模式正交性的原理。將求解N自由度彈性系統(tǒng)的地震反應(yīng)分解為求解N個(gè)獨(dú)立等效單自由度彈性系統(tǒng)的最大地震反應(yīng)，得到對應(yīng)于每個(gè)模式幾何圖形的效果。此時(shí)，根據(jù)考慮地震作用的方式，可以徐璐采用不同的組合方式。對于平面振動(dòng)的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，可以使用SRSS方法。這是由輸入地震牙齒穩(wěn)定的隨機(jī)過程，各模式型反應(yīng)之間的獨(dú)立衍生出來的。對于考慮平面-扭耦合的多粒子

3、彈性系統(tǒng)，請使用CQC方法。與SRSS方法的主要區(qū)別在于，在平面振動(dòng)時(shí)，假定每個(gè)模式形狀徐璐獨(dú)立，并且每個(gè)模式幾何體的貢獻(xiàn)隨著頻率的增加而減少。對于平面-扭轉(zhuǎn)管接頭，每個(gè)模式幾何圖形頻率間距較小，相鄰的高模式頻率可能非常接近。這需要考慮不同模式形狀之間的相關(guān)性。此外，扭轉(zhuǎn)元件的影響不一定會(huì)隨頻率的增加而減弱。有時(shí)，高振動(dòng)類型的影響可能大于低模式幾何圖元的影響。必須考慮比SRSS更多的模式幾何體的影響。地板剪切法考慮了結(jié)構(gòu)體系的特殊性，考慮了模式分解反應(yīng)譜法的簡化。建筑物高度不大，以剪切變形為主，質(zhì)量和剛度沿高度均勻分布的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)變位反應(yīng)往往以第一模式形態(tài)為主，第一模式形狀接近直線時(shí)，可以

4、將模式分解法簡化為基本底部剪切力計(jì)算公式。牙齒基本公式計(jì)算的每個(gè)粒子的水平地震效果可以更好地反映剛度大的結(jié)構(gòu)，但在結(jié)構(gòu)基本周期長、網(wǎng)站特性周期小的情況下計(jì)算的頂部地震效果較小。為此，當(dāng)結(jié)構(gòu)的基本周期超過1.4倍的網(wǎng)站特性周期時(shí)，抗震規(guī)范在頂部添加水平地震效果。(3)隨著動(dòng)態(tài)理論階段，對地面振動(dòng)的認(rèn)識(shí)和理解的加深，通過認(rèn)識(shí)反應(yīng)譜的不足(對地震支撐的影響不足，電腦性能的提高等)，動(dòng)力法逐步發(fā)展，其實(shí)質(zhì)是直接求解動(dòng)力方程，但由于地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度非常不規(guī)則，微分方程無法求出閉合解，因此采用了很多數(shù)值積分，通常的方法是連續(xù)分段記錄的地震波。每個(gè)段落的數(shù)據(jù)都認(rèn)為是不變的，在結(jié)構(gòu)上起作用。通過動(dòng)力平衡方

5、程得出現(xiàn)在的加速度、速度、位移反應(yīng)，然后與上一段的加速度、速度、位移重疊，將重疊的結(jié)果作為下一期的初始數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)較低。(4) 1994年美國Northridge地震及1995年日本Kobe地震后，美日學(xué)者還采用了基于性別的抗震設(shè)計(jì)方法，以性別為基礎(chǔ)的基本思想，滿足了建筑結(jié)構(gòu)使用期間各種使用功能的要求。與傳統(tǒng)的基于力的設(shè)計(jì)方法不同，結(jié)構(gòu)性能的評(píng)估主要基于變位準(zhǔn)則，徐璐使用不同的變位指標(biāo)對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行不同的控制。但是在大地震下，結(jié)構(gòu)的非彈性變形很難準(zhǔn)確預(yù)測，因此基于性別的設(shè)計(jì)方法只能停留在理論上。但提出它的積極意義至少有兩個(gè)：1。強(qiáng)調(diào)地震工程系統(tǒng)性和社會(huì)性。認(rèn)識(shí)到原抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的一些不合理

6、性?；谛阅艿卣鹪O(shè)計(jì)，必須準(zhǔn)確評(píng)估統(tǒng)計(jì)意義特定級(jí)別作用下的結(jié)構(gòu)變位、速度和加速度，還必須有合理的評(píng)價(jià)方法和可用的評(píng)估工具。正是由于牙齒目的，提出并發(fā)展了Pushover方法和能力頻譜方法。Pushover方法的基本思想是使用靜態(tài)加載。也就是說，假設(shè)分布形式的橫向載荷作用于結(jié)構(gòu)上，逐漸加載，直到達(dá)到結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的目標(biāo)變位或結(jié)構(gòu)破壞。因此，為了評(píng)估結(jié)構(gòu)的性能，可以得到控制點(diǎn)的水平橫向移動(dòng)和基面剪切關(guān)系曲線。Pushover方法取決于側(cè)向力的分布形式和彈性塑料反應(yīng)譜的目標(biāo)變位確定。2.鋼筋混凝土抗震設(shè)計(jì)的基本思維設(shè)計(jì)力延性準(zhǔn)則提出了彈性反應(yīng)譜后，人們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)與實(shí)際地震時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象存在一定的矛盾

7、，主要是根據(jù)彈性反應(yīng)譜計(jì)算出的結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度是當(dāng)時(shí)習(xí)慣設(shè)計(jì)地震力的幾倍。并且在習(xí)慣性確定的設(shè)計(jì)地震力的作用下設(shè)計(jì)的房屋結(jié)構(gòu)在地震中結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的破壞并不嚴(yán)重。20世紀(jì)60年代，Newmark通過徐璐不同周期的初始剛度相同的單自由度體系，在多波輸入條件下進(jìn)行分析，提出了等效位移原理和等效能量原理，并提出了結(jié)構(gòu)延性的概念。之后深入研究了終端流體系統(tǒng)的屈服水平和彈性磁振器、結(jié)構(gòu)的最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)之間的關(guān)系，這是習(xí)慣性地說的R-T效應(yīng)的理論。通過這些研究，可以看出，延性和可塑性能源消耗是在結(jié)構(gòu)屈服水平不高的情況下，大地震下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞和崩潰的保證。(David aser，Northern Ex

8、posure(美國電視電視劇)，成功)到此為止，關(guān)于設(shè)計(jì)地震力值大小的基本問題已經(jīng)解決了。也就是說，地震時(shí)地震力值的大小不是確定的數(shù)字，而是結(jié)構(gòu)延性性能和能量消耗機(jī)制相關(guān)的價(jià)值。這里要說明的是，設(shè)計(jì)地震能力只能解決一個(gè)茄子問題，而保證結(jié)構(gòu)延性性能的措施必須得到保證。牙齒內(nèi)容將在下一節(jié)中介紹。目前，世界各國的地震規(guī)范幾乎都采用了這種想法。也就是說，根據(jù)可能發(fā)生的強(qiáng)弱劃分地震區(qū)域。根據(jù)各地區(qū)歷史發(fā)生地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果或?qū)Φ刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史考察，提出具有明確統(tǒng)計(jì)意義的防備水平地面運(yùn)動(dòng)的最高加速度。使用加速度反應(yīng)譜徐璐在不同周期內(nèi)提供結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度。通過地震力曹征系數(shù)R獲得設(shè)計(jì)的加速度水平。同時(shí)，大多數(shù)國家同

9、意這種觀點(diǎn)。防雨強(qiáng)度水平可以徐璐采取不同的值，選擇高防雨強(qiáng)度水平的話，結(jié)構(gòu)的延性要求也越低，選擇低防雨強(qiáng)度水平的話，結(jié)構(gòu)的延性要求越高。結(jié)構(gòu)延性保證的前提是采取一系列措施確保構(gòu)件的延性，通過有效合理的連接合理選擇結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在剛性分布合理的條件下基本保證結(jié)構(gòu)延性的構(gòu)件的延性。以下是我國抗震規(guī)范的一般思考方式，現(xiàn)行中國規(guī)范不采用多種防范強(qiáng)度水平，采用不區(qū)分的統(tǒng)一地震曹征系數(shù)R=1/0.35。(威廉莎士比亞，美國電視電視劇，地震)與此同時(shí)，大致根據(jù)防御工事強(qiáng)度劃分徐璐不同的抗震等級(jí)，重點(diǎn)分析徐璐不同的防御工事強(qiáng)度，采取確保延續(xù)性的地震措施。這里有一個(gè)概念，根據(jù)R-T效應(yīng)理論，地震曹征系數(shù)R=1/0.

10、35，必須對結(jié)構(gòu)應(yīng)用相同的延性保證措施。中國規(guī)范徐璐采用其他軟性保障措施，隨著地震等級(jí)的提高，軟性保障能力得到加強(qiáng)。牙齒方法的有效性正在進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)反應(yīng)的驗(yàn)證，大致結(jié)果可以解釋如下。對于8度0.3g和9度0.4g，其抗震等級(jí)較高，保證延性的措施也比較強(qiáng)，因此通常是安全的。對于6度0.05g和7度0.1g區(qū)域，由此產(chǎn)生的水平地震效果較小，正常荷載組合受重力荷載控制，相應(yīng)的保證延性不強(qiáng)，但一般可以在大地震下保證結(jié)構(gòu)的非彈性變形性能。但是7度0.15g和8度0.2g的情況令人擔(dān)憂。因?yàn)楹奢d組合時(shí)，地震作用一般起控制作用，相應(yīng)地保證延性的措施薄弱，一定程度的安全風(fēng)險(xiǎn)是不可避免的。為了直觀而具體的理解

11、，我們來看看其他國家的地震曹征系數(shù)R的選擇。國家規(guī)范規(guī)定的地震力曹征系數(shù)歐洲共同體EC8新西蘭NZS3101美國UBC1997中國GB50011-2001直流“l(fā)”低延性2.5彈性反應(yīng)結(jié)構(gòu)1.25一般架構(gòu)3.51/0.352.86直流“m”的延性3.75有限延性結(jié)構(gòu)3.0中間模板5.5直流“h”高延性5.0延性結(jié)構(gòu)6.0特殊模板8.5同時(shí)需要說明的是：1.中國、美國、新西蘭和歐洲在防御工事強(qiáng)度地震上具有相同的統(tǒng)計(jì)意義。即50年超越概率為10%的地震基準(zhǔn)地震。2.新西蘭規(guī)格要求設(shè)計(jì)師優(yōu)先采用“柔性結(jié)構(gòu)”，美國規(guī)格要求高強(qiáng)度地區(qū)使用“特殊框架”。對于中等強(qiáng)度區(qū)域，建議使用“中間幀”或“特殊幀”。對

12、于強(qiáng)度較低的區(qū)域，建議使用“正常幀”，或使用“中間幀”和“特殊幀”。3.各國根據(jù)反應(yīng)譜對設(shè)計(jì)地震力的絕對價(jià)值在大小上存在一些差異。大體上，在我國地震規(guī)范R=2.86的前提下比較，短周期和長周期與其他國家影響系數(shù)的價(jià)值大體相同，但中間周期的結(jié)構(gòu)根據(jù)我國規(guī)范獲得的地震作用較小。因此，中間周期的結(jié)構(gòu)與國外同類結(jié)構(gòu)相比較。(在牙齒周期范圍內(nèi)，我國R=2.86的地震力值與外國R=5的地震力值基本相似，延性的保證是根據(jù)設(shè)定的地震力執(zhí)行的)延性下降。三.能力設(shè)計(jì)方法上節(jié)重點(diǎn)討論了設(shè)計(jì)地震力量的價(jià)值，但為了保證大地震中的結(jié)構(gòu)性能，必須制定有效的抗震措施。這樣，結(jié)構(gòu)就具備了保持垂直載荷力所需的非彈性變形能力。這

13、就是能力設(shè)計(jì)法。(威廉莎士比亞，美國電視電視劇)能力設(shè)計(jì)法是新西蘭鋼筋混凝土內(nèi)展門街T. Paulay、R. Park等學(xué)者的發(fā)展和提倡。主要想法是控制組件之間或組件內(nèi)徐璐不同力形式之間的載荷能力差異。使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成梁鉸機(jī)構(gòu)，延性形成大的正截面力破壞形態(tài)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的彈性變形性能。確保大地震時(shí)足夠的能力耗散性能，防止發(fā)生脆性破壞和不利的儀器。能力設(shè)計(jì)法的核心是將控制概念引入結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，有意引導(dǎo)有利于結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和破壞模式，避免不合理的結(jié)構(gòu)破壞形式，確保破壞部位的彈性變形能力。能力設(shè)計(jì)法主要通過以下三種茄子措施進(jìn)行保證：1.提高柱對梁的彎曲能力，人工導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的鉸鏈部分。2.提高

14、相對于正截面載荷力的剪切力，防止非柔性剪切破壞的發(fā)生。3.對可能發(fā)生塑料鉸的部位采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?，確保所需的非彈性變形性能。首先，討論鉸鏈的合理部位，各國的大體思維方式相似，更喜歡梁端先于柱端出現(xiàn)的方案。牙齒鉸鏈方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：梁的延展性易于控制，通常大于柱的延展性。梁鉸鏈比柱鉸鏈形成的整體塑性變形小。梁鉸機(jī)構(gòu)形成的塑性變形相對穩(wěn)定。首先，在形成梁鉸鏈的前提下，有兩種茄子不同的設(shè)計(jì)方法。一種由新西蘭代表，傾向于形成理想梁鉸鏈機(jī)構(gòu)。也就是說，梁末端出現(xiàn)塑料鉸鏈，柱除了底部以外，沒有塑料鉸鏈。牙齒時(shí)，除了底柱外，在柱上給出比梁更大的超強(qiáng)系數(shù)(約2.0)，牙齒時(shí)柱(約2.0)的優(yōu)點(diǎn)。但是正是這種

15、設(shè)計(jì)方法在追求理想雙餃子機(jī)構(gòu)的同時(shí)，底部支柱相對變?nèi)?，有可能出現(xiàn)鉸鏈，因此，為了確保牙齒部位的塑性變形性能，必須采取救援措施。同時(shí)，底部鉸對結(jié)構(gòu)的影響較大，一旦倒塌，結(jié)構(gòu)整體就會(huì)發(fā)生倒塌，必須在結(jié)構(gòu)上保證，提高結(jié)構(gòu)的難度。另一種方案包括美國、歐洲共同體、中國等，牙齒方案引導(dǎo)結(jié)構(gòu)柱鉸鏈比梁鉸鏈顯示得晚，同時(shí)不限制鉸鏈的出現(xiàn)，但要求結(jié)構(gòu)不形成分層移動(dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，對柱的超排系數(shù)小于新西蘭要求(約1.4)，同時(shí)采用將箍筋貼在柱上的方案。事實(shí)上，在柱子上采用超倍率系數(shù)的決定問題比較復(fù)雜。梁端結(jié)構(gòu)超排性的影響。梁柱端塑料鉸內(nèi)力重分配的影響；屈服前的非彈性特征可能會(huì)使柱的實(shí)際彎矩大于彈性分析中獲得的彎矩。材

16、料差異引起的不確定性；結(jié)構(gòu)非彈性特征的發(fā)育導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的影響等。根據(jù)能力設(shè)計(jì)的要求，剪力墻的塑料鉸通常出現(xiàn)在墻腿的底部。連梁剪力墻的承載力和延性與開口連梁的承載力和延性有很大關(guān)系，一般設(shè)計(jì)為盡可能弱的連梁，有意識(shí)地引導(dǎo)連梁，預(yù)測地震時(shí)先屈服，然后是底部墻的屈服，即塑料鉸接區(qū)域的屈服。避免早期剪切破壞的原因很簡單。因?yàn)閷儆诩羟衅茐难例X脆性破壞，不利于確保結(jié)構(gòu)的延展性。保證方法是根據(jù)等級(jí)，對所有梁、柱、墻等組件對港口采用不同的超倍率系數(shù)。破壞剪切的基本要求是梁端塑性鉸所需的塑性旋轉(zhuǎn)前不發(fā)生剪切地震，與非抗震剪切有概念差異。對幾種茄子不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剪切機(jī)制和我國規(guī)范的處理方式，需要在此進(jìn)行說

17、明。梁：抗震時(shí)低周反復(fù)作用，梁上出現(xiàn)交叉斜裂縫，斜裂縫的分布決定了抗震能力低于非抗震進(jìn)步的原因。因?yàn)樵谄茐臅r(shí)，剪切在縱向肌腱屈服后，裂縫變得更大。交叉裂紋的出現(xiàn)對混凝土損傷更為嚴(yán)重。在地震中，如果提高梁末端的負(fù)彎矩值，梁底部將出現(xiàn)較大的剪切力值。因?yàn)橄露藳]有現(xiàn)澆板，所以很容易破壞。但是牙齒時(shí)，箍筋的作用與非地震時(shí)的作用相似，對規(guī)范上牙齒不利作用的考慮是對剪切公式進(jìn)行混凝土項(xiàng)目0.6的打折，同時(shí)，為了避免非柔性的傾斜破壞，采用了比非地震時(shí)更嚴(yán)格的限制措施，將截面的剪切設(shè)計(jì)值乘以非地震時(shí)的0.8的減法系數(shù)。支柱：與對混凝土項(xiàng)目使用0.6的減法系數(shù)一樣，采取了更為嚴(yán)格的措施防止射壓破壞，將剖面的剪切力設(shè)計(jì)值乘以非射壓時(shí)的0.8的減法系數(shù)。但是一般來說，柱的軸向壓力比較大小，牙齒壓力在柱上出現(xiàn)塑料鉸鏈后對構(gòu)件的剪切性能很強(qiáng)，因此根據(jù)這種思維方式，使用柱等折疊似乎不合理。墻：相關(guān)時(shí)國內(nèi)幾乎沒有關(guān)于地震的實(shí)驗(yàn)資料。只是使用了不抗地震的剪力公式，對混凝土港和鋼筋項(xiàng)目都應(yīng)用了0.8的折扣率，還采用了限制剪力滯破壞的方法，將剖面的剪力設(shè)計(jì)值與非地震乘以0.8的折扣率。一般來說，