王 成 王若雨

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.北京市陳經(jīng)綸中學(xué)，北京 100020)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合抗震能力評(píng)價(jià)

王 成1王若雨2

(1.中交第四公路工程局有限公司，北京 100022； 2.北京市陳經(jīng)綸中學(xué)，北京 100020)

結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，主要從結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)和地震作用取值兩方面，探討了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力，從而確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗震能力，地震作用，延性

0 引言

1824年波特蘭水泥的發(fā)明極大促進(jìn)了混凝土的使用，直至后來的鋼筋混凝土。如今，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)人們越來越清晰的認(rèn)識(shí)到自然災(zāi)害，特別是地震災(zāi)害已經(jīng)成為制約鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要因素之一。本文根據(jù)我國防震減災(zāi)法和地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，針對(duì)我國已有建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合具體工程實(shí)例，較為全面評(píng)價(jià)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合抗震能力。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震作用

《中華人民共和國防震減災(zāi)法》規(guī)定：建筑抗震設(shè)防必須按照國家頒布的地震烈度區(qū)劃圖或地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖的要求進(jìn)行。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期等基本參數(shù)和設(shè)防地震烈度與動(dòng)峰值加速度對(duì)應(yīng)關(guān)系在《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中列出。國家地震區(qū)劃圖的場地條件是Ⅱ類場地、概率水平是50年超越概率10%。加速度區(qū)劃圖共7個(gè)區(qū)，加速度值分別是：小于0.05g，0.05g，0.10g，0.15g，0.20g，0.30g，不小于0.40g。與中國地震烈度區(qū)劃圖相比，加速度區(qū)劃圖多出了兩個(gè)分區(qū)，即加速度值為0.15g的分區(qū)和0.30g的分區(qū)?？紤]到概念設(shè)計(jì)的需要，0.10g區(qū)和0.15g區(qū)的烈度值為7度，0.20g區(qū)和0.30g區(qū)的烈度值為8度。峰值加速度的分區(qū)原則見表1。

反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖共3個(gè)區(qū),特征周期分別為：0.35 s(1區(qū))，0.40 s(2區(qū))，0.45 s(3區(qū))。特征周期區(qū)劃圖勾勒了由地震環(huán)境控制的地震反應(yīng)譜形狀。不同的場地土層條件、不同的特征周期分區(qū)，Tg值應(yīng)按表2調(diào)整。近年來，深入研究強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)記錄以及重大工程地震安全性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)場地條件不僅影響地震反應(yīng)譜特征周期，而且極大的影響著地震動(dòng)峰值[1]。

表1 加速度分區(qū)原則

表2 不同土層條件的Tg值 s

在各國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，大部分抗震設(shè)計(jì)方法是“R-μ基本準(zhǔn)則”和基于彈性反應(yīng)譜理論的通用抗震設(shè)計(jì)方法。其主要思路是通過地震力降低系數(shù)R將基準(zhǔn)設(shè)防地震作用水準(zhǔn)降到相對(duì)偏低的地震作用水準(zhǔn)，再通過能力設(shè)計(jì)措施力求保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的反應(yīng)需求[2]。我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)選取了設(shè)防水準(zhǔn)一的地震影響系數(shù)，即在基準(zhǔn)設(shè)防地震作用水準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，不論結(jié)構(gòu)類型差異多大，統(tǒng)一取地震力降低系數(shù)R約為3[3]。表3是基準(zhǔn)設(shè)防地震下的加速度、影響系數(shù)最大值αmaxⅡ與多遇地震下的加速度、影響系數(shù)最大值αmaxⅠ及其比值。已有的研究表明:固有特性不同的各種結(jié)構(gòu)統(tǒng)一取用相同R值是一個(gè)值得進(jìn)一步討論的問題。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)特征周期的解釋為：反映地震震級(jí)、震中距和場地類別等因素的地震影響曲線下降段起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期值。也就是說，表2中的特征周期僅適用于設(shè)防烈度地震，不適用于多遇地震和罕遇地震，而且《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》并未提供多遇地震和罕遇地震的地震加速度和對(duì)應(yīng)的特征周期。

表3 地震加速度和影響系數(shù)最大值αmax

抗震設(shè)計(jì)譜是根據(jù)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特性,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析處理并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷確定的。世界各國的抗震規(guī)范都不同程度的考慮了場地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響，從1994版美國NEHRP規(guī)范開始，美國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范同時(shí)使用Fa和Fv兩個(gè)場地系數(shù)，考慮場地條件對(duì)特征周期和地震動(dòng)峰值加速度的影響。2003版NEHRP中仍使用上述場地系數(shù)(Building Seismic Safety Council，2004)。在我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，未考慮地震動(dòng)峰值加速度和加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值在不同類別場地條件下的變化。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力

2.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)延性的考慮

根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究成果,各國學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,按設(shè)防烈度地震下的峰值反應(yīng)加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震力很不經(jīng)濟(jì),取不同結(jié)構(gòu)自振周期段經(jīng)過地震力降低系數(shù)R以不同程度降低后的峰值反應(yīng)加速度作為設(shè)計(jì)峰值反應(yīng)加速度是合理的,再由它確定設(shè)計(jì)地震力,世界各國規(guī)范對(duì)R取值基本在1.5～8.5之間。若結(jié)構(gòu)R取值較大，并能具有可以接受的抗震性能，就必須提高其控制部位的非彈性變形能力。在這種情況下，即使發(fā)生超過設(shè)計(jì)地震力的地震,這些進(jìn)入屈服的控制部位通過往復(fù)非彈性變形過程中的塑性耗能來耗散地震輸入的能量，進(jìn)而能夠使結(jié)構(gòu)在較強(qiáng)地震中不致?lián)p傷過重,特別是在罕遇地震中不會(huì)發(fā)生倒塌。

建筑物的抗震能力和安全性,一方面取決于構(gòu)件的(靜)承載力,另一方面也取決于其變形性能和動(dòng)力響應(yīng),即結(jié)構(gòu)的抗震能力是由承載能力和變形能力共同決定的，所以地震區(qū)的結(jié)構(gòu)物應(yīng)設(shè)計(jì)成抗震性能好的延性結(jié)構(gòu)。將建筑物設(shè)計(jì)成在相應(yīng)地震力取值水準(zhǔn)下的延性結(jié)構(gòu),則用不同設(shè)計(jì)地震力水準(zhǔn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)(在R的某個(gè)變化范圍內(nèi))都可以滿足在設(shè)防烈度下?lián)p傷不過于嚴(yán)重，并能達(dá)到在更大地震下倒塌風(fēng)險(xiǎn)較小的抗震設(shè)防目標(biāo)。從定量角度來分析,這些結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)烈程度地震下的反應(yīng)特征稍有一些差異。例如：若某次地震形成的彈性反應(yīng)地震力為0.5P,則按0.5P地震力設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)某關(guān)鍵構(gòu)件恰好屈服,而按0.4P設(shè)計(jì)的該構(gòu)件就已經(jīng)進(jìn)入了屈服后狀態(tài),按0.2P設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的該構(gòu)件將達(dá)到更大的屈服后變形。在這種抗震設(shè)計(jì)思路中，設(shè)計(jì)地震力起著控制結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)的作用。所以諸如歐洲共同體的EC 8(1994)、新西蘭的NZS 3101(1995)、美國UBC規(guī)范(1997)和日本的AIJ設(shè)計(jì)指南(1990)等都把地震作用的作用系數(shù)取為1.0，即認(rèn)為地震作用的隨機(jī)性多表現(xiàn)在延性反應(yīng)隨機(jī)變量性質(zhì)上[4]，在設(shè)計(jì)地震力取值上不再考慮。當(dāng)前世界上只有少數(shù)規(guī)范作用系數(shù)大于1,我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范地震力作用系數(shù)取1.3。

通過能力設(shè)計(jì)法,使塑性變形主要集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構(gòu)件上，進(jìn)而確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用過程中表現(xiàn)出必要的延性。選擇理論上可行、經(jīng)濟(jì)上可接受的塑性變形機(jī)構(gòu)，就能夠精準(zhǔn)地確定能量耗散部位。目前對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要存在兩種理論上可行的方案:梁鉸機(jī)構(gòu)和梁柱鉸機(jī)構(gòu)。梁柱鉸機(jī)構(gòu)提高了柱的塑性變形能力,在實(shí)際工程中,縱筋用量相對(duì)較少,箍筋用量相對(duì)較多[7]。根據(jù)國情實(shí)際，在一定程度上，我國規(guī)范參考了梁柱鉸機(jī)構(gòu)模式，具體體現(xiàn)為強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎等基本理念。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)超強(qiáng)的考慮

在強(qiáng)震下的非彈性動(dòng)力反應(yīng)過程中,結(jié)構(gòu)的實(shí)際屈服水準(zhǔn)一般明顯高于設(shè)計(jì)地震作用水準(zhǔn),即為結(jié)構(gòu)超強(qiáng)[6]。

地震災(zāi)害具有突發(fā)性，且可預(yù)報(bào)性很低，所以雖然房屋結(jié)構(gòu)采用了抗震設(shè)計(jì)，但發(fā)生超過設(shè)計(jì)“大震”的可能性依然存在，而且實(shí)際地震作用的分布模式和頻譜成分也不可能與設(shè)計(jì)計(jì)算地震作用完全相同。如：2008年5·12汶川大地震,當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度為6度～7度、設(shè)計(jì)“大震”為8度,而實(shí)際上達(dá)到了9度～11度。 再如：1966年邢臺(tái)地震，設(shè)防7度，實(shí)際10度；2010年玉樹地震，設(shè)防烈度為7度,實(shí)際達(dá)到9度[7]。所以，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)超強(qiáng)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，會(huì)在很大程度上改變地震后房屋大量倒塌的現(xiàn)象。

關(guān)于結(jié)構(gòu)延性需求μ、地震力降低系數(shù)R、結(jié)構(gòu)初始彈性基本周期T的研究表明:結(jié)構(gòu)可以按設(shè)計(jì)地震作用參與的荷載組合進(jìn)行承載能力設(shè)計(jì)，且能在強(qiáng)震下沒有嚴(yán)重?fù)p傷或倒塌的關(guān)鍵是必須對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的塑性變形和塑性耗能能力進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)。實(shí)際結(jié)構(gòu)R和μ的取值需根據(jù)震害、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、單(多)自由度體系R-μ基本規(guī)律綜合確定。在設(shè)計(jì)地震作用參與的荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用時(shí),隨著R值的增大，結(jié)構(gòu)在相應(yīng)強(qiáng)震水準(zhǔn)下的延性需求μ也會(huì)相應(yīng)增大，為保證結(jié)構(gòu)具備相應(yīng)延性而采取的抗震措施的嚴(yán)格程度也應(yīng)相應(yīng)提高。也就是當(dāng)R值不變時(shí),抗震措施嚴(yán)格程度也應(yīng)基本保持不變。表4是各國設(shè)計(jì)規(guī)范遵循的地震力降低系數(shù)、延性等級(jí)與抗震措施的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即R-μ關(guān)系。

根據(jù)上述原則，從表4對(duì)比可知:加拿大、美國、歐盟和新西蘭四國相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范遵循的延性等級(jí)、地震力降低系數(shù)與抗震措施的對(duì)應(yīng)關(guān)系是較為合理的，而我國相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范遵循的對(duì)應(yīng)關(guān)系值得商榷。

表4 地震力降低系數(shù)、延性等級(jí)、抗震措施對(duì)應(yīng)關(guān)系

通常情況下，對(duì)于特定重要的某種類型的結(jié)構(gòu),不論其所處地震區(qū)風(fēng)險(xiǎn)的高低,在地震力降低系數(shù)R減小情況下,抗震措施的嚴(yán)格程度應(yīng)相應(yīng)放松。我國設(shè)計(jì)規(guī)范在地震力降低系數(shù)R值基本保持不變的情況下，對(duì)于特定重要的某種類型的結(jié)構(gòu)，不論設(shè)計(jì)地震作用參與的荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否起控制作用，據(jù)抗震等級(jí)選用抗震措施的嚴(yán)格程度總體上為隨烈度區(qū)降低而逐漸減弱的趨勢,特別是2級(jí)抗震等級(jí)相對(duì)于1級(jí)抗震等級(jí)的規(guī)定減弱明顯。這一做法往往會(huì)導(dǎo)致8度區(qū)2級(jí)抗震等級(jí)框架結(jié)構(gòu)性態(tài)控制效果相對(duì)于8度區(qū)1級(jí)抗震等級(jí)框架結(jié)構(gòu)和9度區(qū)框架結(jié)構(gòu)性態(tài)控制效果的偏差。

在選用設(shè)計(jì)地震作用時(shí),加拿大NBCC 2005、美國IBC 2003、新西蘭NZS 4203、歐盟EC 8(2005)都不同程度地考慮了結(jié)構(gòu)超強(qiáng)影響。雖然依據(jù)的研究成果可能還不夠充分,但對(duì)結(jié)構(gòu)超強(qiáng)性能作認(rèn)真考慮無疑是必要的。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)、地震作用取值始終是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合抗震性能的核心問題，由此而進(jìn)行的承載能力驗(yàn)算、位移變形驗(yàn)算、細(xì)部連接驗(yàn)算、構(gòu)造措施選用等構(gòu)成了其實(shí)際設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容。隨著越來越多已建和在建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能表現(xiàn)，以及相關(guān)理論的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力評(píng)估研究會(huì)日趨完善。

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The synthetic evaluation of seismic capacity of reinforced concrete structures

Wang Cheng1Wang Ruoyu2

(1.CCCCFourthHighwayEngineeringCo.,Ltd,Beijing100022，China; 2.BeijingChenjinglunHighSchool,Beijing100020,China)

Combining with the relevant regulations requirements, this paper analyzed the seismic design parameters of reinforced concrete structure, mainly from the structure ductility design and earthquake action value two aspects, discussed the comprehensive seismic capacity of reinforced concrete structure, so as to ensure the safety of reinforced concrete structure.

reinforced concrete structure, seismic capacity, seismic action, ductility

1009-6825(2017)02-0054-03

2016-11-09

王 成(1970- )，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，國家一級(jí)注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU352

A