莫幸豐

摘 要：近年來，世界各地高強度地震頻發(fā)，我國也未能幸免于難。通過不斷分析地震災害中建筑的主要破壞形式，以國家建筑抗震設(shè)計規(guī)范為基本依據(jù)，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計主要理論進行說明并提出相關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土 抗震 彈塑性分析 設(shè)計方法

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0065-02

地震是危及人民生命財產(chǎn)的一種突發(fā)式自然災害，而我國東臨環(huán)太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，這使得我國成為了世界上多地震國家之一。我國的地震活動具有震源淺、強度大、分布范圍廣、重演周期長等特點，并且位于地震區(qū)的大中城市多而其建筑物普遍抗震能力較低。因此，中國范圍內(nèi)的地震通常造成的破壞較大，損失也較為慘重。如1976年7月28日的河北唐山大地震，震級7.8級，整個唐山市頃刻間夷為平地，地震共造成24萬余人死亡，重傷16.4萬人，名列20世紀世界地震史死亡人數(shù)第一。2008年5月12日的四川汶川地震，震級8.0級，造成6.9萬人死亡，37.5萬人受傷，1.8萬人失蹤，是新中國成立以來破壞力最大的地震，也是繼唐山大地震后傷亡最慘重的一次。2010年4月14日發(fā)生的7.1級青海省玉樹大地震同樣造成了2698名中國同胞遇難。這些慘重的代價中，由于建筑物抗震能力不足而倒塌破壞造成的人員損傷占了很大比例。

在唐山大地震中，唐山市內(nèi)超過90%的房屋徹底倒毀，震中區(qū)的磚石混合結(jié)構(gòu)全部倒塌，而有剪力墻的高層建筑和經(jīng)過抗震設(shè)計的建筑破壞較少。作為一種特殊的自然災害，地震給人們帶來的破壞通常是毀滅性的。為盡量減少其帶來的損失，一個切實有效的措施就是結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)進行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和采取加固方法。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代主流結(jié)構(gòu)形式，對其進行抗震研究及設(shè)計當然必不可少。本文將從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計兩個方面進行簡單的介紹和探討。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震分析

對結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形和破壞分析可以采用靜力彈塑性分析法即Pushover分析法。

1.1 Pushover分析法的基本原理

Pushover分析法的基本原理和基本做法是，保持施加在結(jié)構(gòu)上的豎向荷載作用不變，并且沿結(jié)構(gòu)的側(cè)面施加某種特定分布形式的水平荷載或位移，隨著水平方向的荷載或位移逐級增加，結(jié)構(gòu)由最初的彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄誀顟B(tài)最后發(fā)生破壞。記錄每級加載的荷載效應下結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂、屈服、形成塑性鉸和其他結(jié)構(gòu)破壞行為，通過分析來找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和可能的破壞形式。

1.2 Pushover分析法的水平加載模式選擇

到目前為止，研究者們已經(jīng)提出了很多種不同的水平加載模式，根據(jù)其是否考慮了地震過程中層慣性力的重分布，可將其分為固定模式和自適應模式。前者是指在整個水平加載的過程中，側(cè)向力的分布保持不變，因而不考慮地震過程中層慣性力的改變；后者則是指在整個水平加載過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力特性的改變而不斷調(diào)整側(cè)向力的分布。

（1）均布加載模式：施加的水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度分布并且與樓層質(zhì)量成正比的加載方式，屬于固定模式。適用于結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量沿高度分布較為均勻、薄弱層為底層的結(jié)構(gòu)。其數(shù)學表達式為：式中，為第層的水平荷載；為結(jié)構(gòu)底部的剪力；為結(jié)構(gòu)的總層數(shù)。

（2）倒三角分布水平加載模式：施加的水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度分布且與質(zhì)量及高度成正比（即底部剪力法模式）的加載方式，屬于固定模式。適用于高度不大于40 m，以剪切變形為主，質(zhì)量、剛度沿高度分布較為均勻，梁端出塑性鉸的結(jié)構(gòu)。數(shù)學表達式為：式中，為結(jié)構(gòu)第層的重力荷載代表值；為結(jié)構(gòu)第層樓面距地面的高度。

（3）拋物線分布水平加載模式：施加的水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度呈拋物線分布的加載模式，屬于固定模式。它的優(yōu)點在于能較好地反映該結(jié)構(gòu)在地震作用下的高振型影響。數(shù)學表達式為：，

式中，其中為結(jié)構(gòu)基本周期。

（4）隨振型而變的水平加載模式：基于結(jié)構(gòu)瞬時振型，施加的水平荷載的分布方式由振型分解反應譜法平方與開平方（SRSS）決定，屬于自適應模式。它能考慮地震過程中的結(jié)構(gòu)層慣性力分布的改變情況，因此比其他三種模式更為合理，但是其計算量相比于前三種模式也大為增加。數(shù)學表達式為：，

式中，，；其中是由SRSS得出的第層的層間剪力，與分別為第振型第層的層間剪力和水平荷載，是上一步加載的振型參與系數(shù)，是考慮的振型數(shù)，是上一步加載的第振型周期所對應的地震影響因數(shù)，是上一步加載的第振型第質(zhì)點的水平相對位移。

四種水平加載模式各有其適用范圍，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析時，可以根據(jù)工程的具體情況和要求來選擇適當?shù)乃胶奢d加載模式。

1.3 Pushover分析法的一般步驟

選擇好適當?shù)乃郊虞d模式后就可以開始分析：（1）建立結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的彈塑性分析模型，施加相應的豎向荷載。（2）選擇一種合適的沿豎向分布形式的水平荷載施加于結(jié)構(gòu)側(cè)面，在結(jié)構(gòu)主要受力方向還要采用兩種以上不同分布方式的水平荷載逐一進行分析。（3）當施加的水平荷載使最薄弱的構(gòu)件達到屈服變形時，將已屈服的構(gòu)件進行剛度修正，修正后結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受持續(xù)增加的水平荷載或位移。（4）重復以上步驟，達到屈服的構(gòu)件越來越多，記錄并計算每一步加載時所有構(gòu)件的彈性和彈塑性變形以及內(nèi)力。（5）將每一次記錄的構(gòu)件內(nèi)力和變形累加，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的總內(nèi)力和變形結(jié)果。（6）結(jié)構(gòu)被破壞或位移超過限值是，停止施加水平荷載，并繪制結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

2.1 鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)形式

當前我國地震內(nèi)的多層和高層建筑多采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為主體受力結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑的高度和抗震設(shè)防烈度的不同分別采用了以下幾種形式：（1）框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)建筑擁有建筑平面空間布置靈活、可任意分隔房間等優(yōu)點，容易滿足使用者生產(chǎn)生活要求，從而被廣泛應用于單層和多層民用建筑中。但是當建筑超過一定高度時，由于地震和風荷載作用，容易造成側(cè)向位移過大影響建筑的安全使用。（2）框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，由于在框架中的適當位置設(shè)置了多道側(cè)向剛度很大的鋼筋混凝土墻，地震發(fā)生所產(chǎn)生的水平荷載大部分被抗震墻承擔，而側(cè)向剛度較小的框架只分攤了一小部分水平剪力從而保證了整個主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)匯集了兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點，在高層建筑的設(shè)計中采用該結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟合理。（3）抗震墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)整體性好，應對水平荷載的側(cè)向剛度大，在強度和變形方面都易滿足抗震要求。因此在分隔比較固定的高層建筑中多采用抗震墻結(jié)構(gòu)。（4）框架-筒體結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)，在超高層建筑設(shè)計中多采用這些結(jié)構(gòu)。endprint

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)地震作用后的構(gòu)件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節(jié)點處，包括梁、柱各端點處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲。總的來說就是柱的震害比梁嚴重，而其中角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻一般抗側(cè)剛度大而抗剪強度較低，地震作用下容易產(chǎn)生斜裂縫進而發(fā)展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現(xiàn)為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現(xiàn)象以及由于地基液化和不均勻沉降、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均、結(jié)構(gòu)之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

注意：（1）設(shè)計時應使結(jié)構(gòu)自振周期避開場地特征周期，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象加深震害。（2）選擇合理的基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)有足夠的埋深，盡量設(shè)置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置應該盡量規(guī)則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的分布、質(zhì)量和剛度分布以及承載力分布等都應該滿足規(guī)則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑應合理設(shè)計，盡量避免防震縫的設(shè)計。但當建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應該嚴格按照規(guī)范合理布置防震縫。

2.3.4 結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

《抗震規(guī)范》根據(jù)房屋設(shè)防類別、建筑場地的地震烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，將結(jié)構(gòu)劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級?？拐鹪O(shè)計時，應根據(jù)建筑的不同抗震等級，采用對應的計算方法和構(gòu)造措施，使房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計更加的經(jīng)濟合理。

3 結(jié)語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進行對應有效的抗震設(shè)計就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學的不斷發(fā)展，更多的先進抗震技術(shù)將會應用于建筑行業(yè)，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻

[1] 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].GB50011—2010.

[2] 張新培.鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)非線性分析[M].北京：科學出版社，2003.

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[4] 包世華，張銅生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算[M].北京：科學出版社，2005.

[5] 滕智明，朱金銓.混凝土結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與實例[M].上海：同濟大學出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)地震作用后的構(gòu)件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節(jié)點處，包括梁、柱各端點處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲?？偟膩碚f就是柱的震害比梁嚴重，而其中角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻一般抗側(cè)剛度大而抗剪強度較低，地震作用下容易產(chǎn)生斜裂縫進而發(fā)展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現(xiàn)為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現(xiàn)象以及由于地基液化和不均勻沉降、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均、結(jié)構(gòu)之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

注意：（1）設(shè)計時應使結(jié)構(gòu)自振周期避開場地特征周期，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象加深震害。（2）選擇合理的基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)有足夠的埋深，盡量設(shè)置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置應該盡量規(guī)則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的分布、質(zhì)量和剛度分布以及承載力分布等都應該滿足規(guī)則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑應合理設(shè)計，盡量避免防震縫的設(shè)計。但當建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應該嚴格按照規(guī)范合理布置防震縫。

2.3.4 結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

《抗震規(guī)范》根據(jù)房屋設(shè)防類別、建筑場地的地震烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，將結(jié)構(gòu)劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級。抗震設(shè)計時，應根據(jù)建筑的不同抗震等級，采用對應的計算方法和構(gòu)造措施，使房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計更加的經(jīng)濟合理。

3 結(jié)語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進行對應有效的抗震設(shè)計就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學的不斷發(fā)展，更多的先進抗震技術(shù)將會應用于建筑行業(yè)，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

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2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)地震作用后的構(gòu)件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節(jié)點處，包括梁、柱各端點處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲?？偟膩碚f就是柱的震害比梁嚴重，而其中角柱震害重于內(nèi)柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結(jié)構(gòu)中的填充墻一般抗側(cè)剛度大而抗剪強度較低，地震作用下容易產(chǎn)生斜裂縫進而發(fā)展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現(xiàn)為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現(xiàn)象以及由于地基液化和不均勻沉降、結(jié)構(gòu)豎向剛度不均、結(jié)構(gòu)之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

注意：（1）設(shè)計時應使結(jié)構(gòu)自振周期避開場地特征周期，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象加深震害。（2）選擇合理的基礎(chǔ)形式并保證基礎(chǔ)有足夠的埋深，盡量設(shè)置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結(jié)構(gòu)布置

建筑結(jié)構(gòu)布置應該盡量規(guī)則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件的分布、質(zhì)量和剛度分布以及承載力分布等都應該滿足規(guī)則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑應合理設(shè)計，盡量避免防震縫的設(shè)計。但當建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應該嚴格按照規(guī)范合理布置防震縫。

2.3.4 結(jié)構(gòu)抗震等級的確定

《抗震規(guī)范》根據(jù)房屋設(shè)防類別、建筑場地的地震烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，將結(jié)構(gòu)劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級?？拐鹪O(shè)計時，應根據(jù)建筑的不同抗震等級，采用對應的計算方法和構(gòu)造措施，使房屋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計更加的經(jīng)濟合理。

3 結(jié)語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進行對應有效的抗震設(shè)計就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學的不斷發(fā)展，更多的先進抗震技術(shù)將會應用于建筑行業(yè)，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

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[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論與實例[M].上海：同濟大學出版社，2011.endprint