邊大可　瞿　云

摘要：我國屬地震多發(fā)國家，需要考慮抗震設(shè)防的地域遼闊，因此研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國具有充分的必要性。我國的現(xiàn)代抗震設(shè)計理論是從20世紀(jì)50年代開始，在國際抗震理論的推動下發(fā)展起來的，并逐漸形成了自己的特色。其中大部分內(nèi)容都符合現(xiàn)代抗震設(shè)計理念，但是也有許多考慮欠妥的地方，需要進(jìn)一步加以完善。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)抗震；抗震設(shè)計；新型建筑材料

中圖分類號：TU201文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0158-02

在地震作用下，一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不可取，結(jié)構(gòu)的延性是非常重要的。最值得我們注意的是，與國外規(guī)范相比，歐洲和新西蘭規(guī)范按地震作用降低系數(shù)（“中震”的地面運(yùn)動加速度與“小震”的地面運(yùn)動加速度之比）來劃分延性等級，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美國UBC規(guī)范按同樣原則來劃分延性等級，但在高烈度區(qū)推薦使用高延性等級，在低烈度區(qū)推薦使用低延性等級。而目前我國把用于結(jié)構(gòu)截面承載能力設(shè)計和變形驗(yàn)算的小震賦予一個固定的統(tǒng)計意義。對延性要求則按抗震等級來劃分，抗震等級實(shí)質(zhì)又主要是由烈度分區(qū)來決定的，從而制定了不同的抗震措施。這種思路造成低烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)延性要求可能偏低的結(jié)果。

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1641～2475年。對于偶然性和隨機(jī)性很大的地震荷載，要想使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一定大于結(jié)構(gòu)反應(yīng)，幾乎是不可能的，而且是十分不經(jīng)濟(jì)的。

受社會承受犧牲的能力和經(jīng)濟(jì)制約的因素，我們只能從概率的角度出發(fā)，使結(jié)構(gòu)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(shè)計的基本原則，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(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來說，就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準(zhǔn)彈性反應(yīng)狀態(tài)，而不進(jìn)入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài);同時結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)控制在合理的限制范圍以內(nèi)，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。中震大概相當(dāng)于我們的設(shè)防烈度地震，當(dāng)遭遇到中震作用時，結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞，經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟(jì)角度來說，維修費(fèi)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(shè)防烈度約高一度左右）。要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”作用時，不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。這樣一個抗震設(shè)防目標(biāo)是非常經(jīng)濟(jì)合理的。因?yàn)榈卣鸬陌l(fā)生太偶然，倘使我們一味地追求結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)計原則指導(dǎo)下，就要求結(jié)構(gòu)處于這樣一種狀況：當(dāng)小震來臨，應(yīng)確保所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抵抗地震作用力時，具有足夠的強(qiáng)度，使其基本上處于彈性狀態(tài)。并通過驗(yàn)算小震作用下的彈性位移來共同保證結(jié)構(gòu)不壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)造措施。在中震作用下，結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位超過彈性強(qiáng)度，進(jìn)入屈服，發(fā)生較大變形，達(dá)到非線形階段，這時，我們就特別提出延性要求（延性指當(dāng)?shù)卣鹌仁菇Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大的非線性變形時，結(jié)構(gòu)仍能維持其初始強(qiáng)度的能力，是結(jié)構(gòu)超過彈性階段的變形能力，它是結(jié)構(gòu)抗震能力強(qiáng)弱的標(biāo)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(shè)計當(dāng)中一個非常重要的特性）。當(dāng)中震來臨的時候，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)具有非彈性特征，某些關(guān)鍵部位超過其彈性強(qiáng)度，進(jìn)入塑性狀態(tài)。由于它有一定的延性，它的非線性能夠承擔(dān)塑性變形，使它在變形中能夠耗費(fèi)和吸收地震能量。代價是可能導(dǎo)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(dǎo)致安全失效，以達(dá)到中震可修的設(shè)防目標(biāo)。處于這個階段的結(jié)構(gòu)，對延性就會提出相應(yīng)的要求，而延性就要靠精心設(shè)計的細(xì)部構(gòu)造措施來保證。當(dāng)大震來臨的時候，結(jié)構(gòu)的非線性變形非常大，也可能發(fā)生不可修復(fù)的破壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)就需通過計算它的彈塑性變形來保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。所以，通常我們只需要按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，驗(yàn)算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形。而中震作用效應(yīng)則需要結(jié)構(gòu)靠一定的塑性變形能力（即延性）來抵抗。所以結(jié)構(gòu)延性對建筑抗震是極其重要的。

合理選擇了結(jié)構(gòu)延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結(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方面：

1．“強(qiáng)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(dá)到最大非線性位移時塑性轉(zhuǎn)動較大；而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時塑性轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)和較大的塑性耗能能力。

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)件都不會先發(fā)生剪切破壞。

3．抗震構(gòu)造措施：通過抗震構(gòu)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(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所接受，但是對于耗能機(jī)構(gòu)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(dǎo)梁端出塑性鉸為前提。新西蘭的抗震研究者認(rèn)為耗能機(jī)構(gòu)宜采用符合塑性力學(xué)中的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”，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(jié)構(gòu)塑性機(jī)構(gòu)”。其具體做法是通過結(jié)構(gòu)分析得到各構(gòu)件組合內(nèi)力值后，對梁端截面就按組合彎矩進(jìn)行截面設(shè)計；而對除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行設(shè)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(jìn)行截面設(shè)計。通過這一做法實(shí)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(jī)構(gòu)”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強(qiáng)系數(shù)。美國抗震界則認(rèn)為新西蘭取的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)過大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取了較小的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)，這一做法使結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)”。

新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實(shí)現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時因?yàn)槌讓又淄獾钠渌瞬怀霈F(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(xué)形成理想機(jī)構(gòu)概念的制約，總認(rèn)為底層柱底應(yīng)該形成塑性鉸，這樣就對底層柱底提出了較嚴(yán)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢。所以結(jié)構(gòu)主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形，

綜上所述，地震作用下，結(jié)構(gòu)的延性與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有同等重要的意義。我國的抗震設(shè)計思路也應(yīng)該在完善自身不足的同時，不斷向前發(fā)展。

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