对钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路

对钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路摘要：该论文从1、抗震设计思路发展历程；2、现代抗震设计思路及关系；3、保证结构延性能力的抗震措施；4、我国抗震设计思路中的部分不足；5、常用抗震分析方法这五个方面，结全重庆大学白绍良老师的教义来对钢筋混凝土建筑结构现代抗震思路及我国设计规范抗震设计方法的理解和讨论关键词：结构设计抗震一。抗震设计思路发展历程随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1倍自重）用于结构设计。到了60年代，随着地面运动记录的不断丰富，人们通过单自由度体系的弹性反应谱，第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势，揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾，当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度，这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究，人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此，也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服，并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。由以上可以看出，结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。二。现代抗震设计思路及关系在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：1.合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（即中震的），再以不同的R（地震力降低系数）得到不同的设计用地面运动加速度（即小震的）来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。2.制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施（强柱弱梁、强剪弱弯）和抗震构造措施。现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心是关系，关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数；而为最大非弹性反应位移与屈服位移之比，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。60年代开始，研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下，通过对不同周期，不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析，得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律：对T大于1.0秒的体系适用“等位移法则”即非弹性反应下的最大位移总等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0.12－0.5秒之间的结构，适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运动输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时，随着R的增大，位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出，如果以结构弹性反应为准，把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低，即R越大，则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大，位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。规律初步揭示出不同弹性周期的结构，当其弹塑性屈服水准取值大小不同时，在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。之所以存在上诉的规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。随着对规律认识的深入，这一规律已被各国规范所接受。在抗震设计时，对在同一烈度区的同一类结构，可以根据情况取用不同的R，也就是不同的用于强度设计的地震作用。当R取值较大，即用于设计的地震作用较小时，对结构的延性要求就越严；反之，当R取值较小，即用于设计的地震作用较大时，对结构的延性要求就可放松。目前，国际上逐步形成了一套“多层次，多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为：工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态，非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为：损伤出现（DAMAGEONSET）、正常运作（OPERATIONAL）、能继续居住（COUNTINUEDOCCUPANCY）、可修复的（REPAIRABLE）、生命安全（LIFESAFE）、倒塌（COLLAPSE）。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标，比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标――基本目标（常遇地震下完全正常运作，少遇地震下正常运作，罕遇地震下保证生命安全，极罕遇地震下接近倒塌）、必要目标（少于地震下完全正常运作，罕遇地震下正常运作，极罕遇地震下保证生命安全）、对安全其控制作用的目标（罕遇地震下完全正常运作，极罕遇地震下正常运作）。对重要性不同的建筑，如协助进行灾害恢复行动的医院等建筑，应该按较高的性态目标设计，此外，也可以针对甲方对建筑提出的不同抗震要求，选择不同的性态目标。行政管理论文三。保证结构延性能力的抗震措施旗合理选择东了结构的湾屈服水准衣和延性要板求后，就讽需要通过灵抗震措施难来保证结伐构确实具沙有所需的塑延性能力宜，从而保艇证结构在脏中震、大辣震下实现龙抗震设防杯目标。系伏统的抗震外措施包括蒜以下几个升方面内容践：辽1性.秤偷“透强柱弱抬梁想”爱：人为增摆大柱相对古于梁的抗挺弯能力，册使钢筋混户凝土框架恐在大震下忌，梁端塑屿性铰出现农较早，在虚达到最大债非线性位征移时塑性耻转动较大鼻；而柱端其塑性铰出嫁现较晚，塞在达到最害大非线性摧位移时塑挤性转动较吃小，甚至颜根本不出棍现塑性铰铁。从而保段证框架具圈有一个较箭为稳定的颗塑性耗能神机构和较征大的塑性时耗能能力唯。世2炊.呆国“傲强剪弱蔑弯补”米：剪切破反坏基本上框没有延性桐，一旦某疫部位发生奶剪切破坏移，该部位血就将彻底盲退出结构浪抗震能力肤，对于柱倘端的剪切剂破坏还可污能导致结觉构的局部丛或整体倒盈塌。因此顺可以人为嫌增大柱端瑞、梁端、始节点的组没合剪力值疼，使结构替能在大震银下的交替夹非弹性变膀形中其任逢何构件都找不会先发而生剪切破护坏。领3晴.走抗震构洗造措施：龙通过抗震求构造措施妖来保证形臣成塑性铰撞的部位具抢有足够的之塑性变形短能力和塑房性耗能能税力，同时栗保证结构凡的整体性你。车这一系统肿的抗震措蜘施理念已尝被世界各萌国所接受驴，但是对此于耗能机们构却出现旗了以新西百兰和美国汇为代表的顾两种不完闭全相同的过思路。首倒先，这两集种思路都歌是以优先仓引导梁端鹿出塑性铰蚕为前提。冶新西兰的进抗震研究守者认为耗症能机构宜摇采用符合背塑性力学痛中别的防“量理想梁铰钳机仿构悲”猎，即梁端相全部形成罗塑性铰，研同时底层歉柱底也都畅形成塑性别铰仆的牧“赌全结构塑灶性机闹构鸡”扯。其具体岔做法是通愁过结构分宗析得到各熊构件组合起内力值后蹲，对梁端思截面就按拐组合弯矩柜进行截面赔设计；而齿对除底层干柱底以外筒的柱截面六，则用人茫为增大了徒以后的组渴合弯矩和肆组合轴力严进行设计消；对底层建柱底截面煤则用增大虫幅度较小披的组合弯朱矩和组合琴轴力进行童截面设计氧。通过这哨一做法实冠现在大震翻下的较大赢塑塘性变形中忘，梁端塑锡性铰形成眼的较为普释遍，底层胸柱底塑性柿铰出现迟狗于梁端塑挑性铰，而刚其余所有果的柱截面胞不出现塑裂性铰，最仗终形扣成甲“涛理想梁铰劈机转构亩”昏。为此，血这种方法便就必须取回足够大的翅柱端弯矩还增强系数捆。视美国抗震墙界则认为叫新西兰取顿的柱弯矩印增强系数绵过大，根茧据经验取渔了较小的政柱弯矩增逢强系数，折这一做法因使结构在躺大震引起道的非弹性探变形过程辱中，梁端蜂塑性铰形挠成较早，微柱端塑性末铰形成的相相对较迟蜓，梁端塑泼性铰形成秃的较普遍巨，柱端塑盏性铰形成痛的相对少奋一些，从麦而形翁成伶“截梁柱塑性运铰机访构湿”再。娃新西兰抗以震措施的站好处在显于携“诸理想梁铰腐机宜构轻”饲完全利用彻了延性和顷塑性耗能之能力较好宽的梁端塑康性铰来实怕现框架延紫性和耗散卵地震能量受，同时因蝇为除底层便柱底外的步其它柱端扔不出现塑欠性铰，也枕就不必再枕对这些柱构端加更多证的箍筋。斧但是这种皇思路过于伞受塑性力奏学形成理是想机构概击念的制约酱，总认为研底层柱底池应该形成翁塑性铰，梢这样就对双底层柱底克提出了较工严格的轴括压比要求萄，同时还取要用足够梁多的箍筋渗来使柱底辈截面具有凡所需的延太性，此外富，底层柱翠底如果延斑性不够发仁生破坏很枝容易导致拼结构整体施倒塌。这阔些不利因立素使该方屋法丧失了领很大的优伙势。努因此很多剑研究者认买为不需要徒被塑性力冷学的机构沿概念所限注制，只要荣能在大震符下实现以瓶下的塑性枕耗能机构援，就能保抬证抗震设捞计的基本肝要求：脖1搁.游以梁端详塑性铰耗验能为主；泉2斗.味不限制劫柱端塑性接铰出现（山包括底层泊柱底），感但是通过咳适当增强陵柱端抗弯鸣能力的方膝法使它在日大震下的惹塑性转动爷离其塑性扩转动能力丹有足够裕杏量；鞠3滴.峰同层各寿柱上下端飞不同时处提于塑性变荡形状态。徒我国的抗樱震措施中应对耗能机哀构的考虑债也基本遵睡循了这一穿思路，采舞用朝了国“捧梁柱塑性阻铰机瓣构优”拴模式，而抛放弃了新拐西兰的基直于塑性力雷学症的经“霞理想梁铰拿机墙构伴”博模式。烫抗震设计雨中我们为雨了避免没博有延性的耗剪切破坏妈的发生，狭采取有了滨“临强剪弱亿弯械”热的措施来播处理构件井受弯能力半与受剪能桨力的关系高问题。值易得注意的致是，与非坛抗震抗剪落破坏相比甲，地震作赔用下的剪直切破坏是长不同的。厘以梁构件透为例，在庭较大地震裳作用下，涉梁端形成村交叉斜裂丙缝区，该匀区混凝土通受斜裂缝融分割，形洗成若干个势菱形块体引，而且破屈碎会随着专延性增长摆而加剧。左由于交叉殖斜裂缝与款塑性铰区晓基本重合乏，垂直和榴斜裂缝宽李度都会随治延性而增象大。抗震仁下根据梁删端的受力回特征，正谱剪力总是范大于负剪青力，正剪跨力作用下瓜的剪压区臭一般位于舱梁下部，洗但由于地穗震的往复嘴作用，梁体底的混凝握土保护层启可能已经徒剥落，从榆而削弱了我混凝土剪弯压区的抗帖剪能力；通交叉斜裂胶缝宽度比深非抗震情年况大，以奴及斜裂缝庙反复开闭捧，混凝土降破碎更严窄重，从而禾使斜裂缝吗界面中的逃骨料咬合意效应退化嘉；混凝土口保护层剥图落和裂缝娱的加宽又恼会使纵筋苍的销栓作勿用有一定控退化。可痒见，地震斗作用下，插混凝土抗山剪能力严灯重退化，灯但是试验指发现箍筋支的抗剪能累力仍可以丈维持爸。酿侮当地震作常用越来越浇小时，梁军端可能不饶出现双向胞斜裂缝，硬而出现单纤向斜裂缝牌，裂缝宽辅度发育也房从大于非膜抗震情况鱼到接近非摧抗震情况旦，抗剪环师境越来越页有利。此田外，抗震缸抗剪要求特结构构件绪应在大震公下预计达妹到的非弹捕性变形状科态之前不单发生剪切远破坏。因蛮为框架剪吵切破坏总抹是发生在亮梁端塑性抽铰区，这执就不仅要望求在梁端歪形成塑性耕铰前不发星生剪切破低坏，而且宁抗剪能力肤还要维持叉到塑性铰闯的塑性转扭动达到大质震所要求哑的程度，象这就需要橡更多的箍线筋。同时勒，在梁端隶塑性变形正过程中作妹用剪力并旅没有明显牢增大，也略进一步说稿明这里增希加的箍筋山不是用来荡增大抗剪倒强度，而廉是为了提锅高构件在朋发生剪切什破坏时所归达的延性腹。亚综上所述天，与非抗粮震抗剪相泡比，抗震录抗剪性能色是不同的蔬，其性能福与剪力作李用环境，既塑性区延坊性要求大楚小有关。各我们可以惭采取以下碧公式来考势虑抗震抗兆剪的强度额公式：建其中为混器凝土抗剪倦能力，为聪箍筋抗剪均能力，为防由于地震示作用导致牲的混凝土租抗剪能力爬下降的折植减系数，凉且随着剪惕力作用环狱境、延性梢要求而改窜变。我国勒的抗震抗赤剪强度公遵式也以上贫面公式为旬基础的，似但是为设政计方便，辈不同的烈垦度区取用斜了相同的见公式，均际取像为盛0.升6爪，与上面俗提到的混傅凝土抗剪滩能力随地寻震作用变斩化而不同昼的规律不哪一致，较茄为粗略。勇延性对抗禁震来说是做极其重要龟的一个性狮质，我们浅要想通过奖抗震措施合来保证结支构的延性搅，那么就胖必须清楚芬影响延性慕的因素。随对于梁柱神等构件，贱延性的影忘响因素最断终可归纳惑为最根本底的两点：旧混凝土极努限压应变移，破坏时睛的受压区煎高度。影墙响延性的黄其他因素瞧实质都是幅这两个根秧本因素的右延伸。如模受拉钢筋鹿配筋率越克大，混凝慰土受压区渐高度就越勾大，延性犁越差；受燥压钢筋越计多，混凝狡土受压区院高度越小大，延性越歌好；混凝祸土强度越纪高，受压吵区高度越司低，延性谦越好（但室如果混凝婆土强度过廊高可能会披减小混凝菌土极限压暖应变从而前降低延性贿）；对柱揭子这类偏霜压构件，皇轴压力的咸存在会增太大混凝土偏受压区高车度，减小菌延性；箍身筋可以提驻高混凝土伙极限压应碌变，从而狐提高延性太，但对于匹高强度混畏凝土，受皮压时，其禾横向变形橡系数较一湿般混凝土者明显偏小站，箍筋的锦约束作用泼不能充分刚发挥，所义以对于高养强度混凝旅土，不适琴于用加箍次筋的方法兆来改善其饲延性。此惰外，箍筋夸还有约束旦纵向钢筋渐，避免其残发生局部众压屈失稳眠，提高构很件抗剪能惰力的作用歼，因此箍剂筋对提高生结构抗震宽性能具有低相当重要蓝的作用。打根据以上狐规律，在促抗震设计盆中为保证蓄结构的延希性，常常贩采用以下兽措施：控缓制受拉钢猫筋配筋率糊，保证一胶定数量受爹压钢筋，芽通过加箍碌筋保证纵疑筋不局部宵压屈失稳亲以及约束腊受压混凝过土，对柱听子限制轴瓜压比等。存四。我宾国抗震设波计思路中影的部分不旅足省我国在学恋习借鉴世索界其他国即家抗震研泪究成果的胆基础上，青逐渐形成扰了自己的阶一套较为素先进的抗驶震设计思员路。其中邻大部分内边容都符合星现代抗震救设计理念观，但是也锯有许多考纱虑欠妥的构地方，需询要我们今勤后加以完率善。瘦其中，最贝值得我们剥注意的是苏，与国外公规范相比叠，我国抗卧震规范在没对关系的跟认识上还食存在一定签的差距。肾欧洲和新处西兰规范展按地震作进用降低系庆数掩（茫“养中域震旗”穿的地面运件动加速度脚与慈“跌小藏震拣”自的地面运没动加速度桨之比）来壳划分延性蓬等级唇，省“先小苗震怒”仪取值越旱高，延性脱要求越低涉，舍“坑小数震束”疲取值越低欢，延性要局求越高。站美晕国第UB季C蹦规范按同穴样原则来炉划分延性宅等级，但土在高烈度惠区推荐使轨用高延性屿等级，在甘低烈度区寨推荐使用体低延性等脱级。这几棒种抗震思逗路都是符旋合规律的盟。而目前勉我国将地奥震作用降间低系数统众一取新为陶2.8仆6撞，而且还到把用于结猜构截面承推载能力设漆计和变形页验算的小胀震赋予一宁个固定的祝统计意义帖。对延性大要求则并挪未按关系抬来取对应奇的，而是请按抗震等刚级来慨划分，抗伶震等级实夺质又主要券是由烈度菠分区来决抬定的。这盐就导致同般一酿个恐R构对应了不职同的，从淡而制定了吸不同的抗旦震措施，凭这与关系城是不一致绍的。这种惭思路造成填低烈度区丢的结构延般性要求可育能偏低的灿结果。捷另外，我倍国规定秒的杨“奇小震不坏售，中震可故修，大震须不坐倒画”修的三水准初抗震设防芳目标也存精在一定的召问题。该展设防目标付对甲类、迈乙类、丙上类这三类晌重要性不滨同的建筑瞒来说，并剩不都是恰舱当的。这夫种笼统的匠设防目标仗也不符合奖当今国际昌上注的军“证多层次，捎多水准性长态控制目挣标笛”之思想，这兵种多性态故目标思想把提倡在建盛筑抗震设物计中应灵委活采用多依重性态目垦标。甲类建建筑指重铅大建筑工地程和地震计时可能发袍生严重此惊生灾害的业建筑，乙邀类建筑指跳地震时使沸用不能中芝断或需要松尽快修复盆的建筑，适由于不同跑类别建筑撒的不同重丢要性，不暖宜再笼统病的使用以第上同一个分性态目标符（设防目慌标），此予外，还应众该考虑建杰筑所有者富的不同要折求，选择壁不同的设贵防目标，纽从而做到号在性态目吃标的选择厌上更加灵饺活。堆五。常附用抗震分佳析方法班伴随着抗蝇震理论的盲发展，各哑种抗震分冈析方法也恨不断出现驳在研究和枣设计领域毁。圆在结构设陡计中，我汉们需要确啄定用来进废行内力组椒合及截面汪设计的地术震作用值求。通常采句用底部剪粱力法，振祝型分解反抓应谱法，奏弹性时程希分析方法薯来计算该包地震作用创值，这三懒种方法都得是弹性分婶析方法。碰其中，底距部剪力法税最简便，完适用于质卡量、刚度坑沿高度分爬布较均匀户的结构。铅它的大致尤思路是通燃过估计结肃构的第一予振型周期数来确定地帽震影响系竭数，再结光合结构的依重力荷载雅来确定总造的水平地推震作用，袖然后按一贵定方式分柱配至各层妇进行结构内设计。对鼠较复杂的尤结构体系绕则宜采用杂振型分解刃反应谱法帆进行抗震打计算，它巨的思路是泉根据振型具叠加原理升，将多自瑞由度体系揉化为一系哲列单自由煎度体系的谎叠加，将溪各种振型捐对应的地呢震作用、深作用效应财以一定方拥式叠加起社来得到结洪构总的地犹震作用、宅作用效应在。而对于硬特别不规雄则和特别刮重要的结书构，常常瑞需要进行贞弹性时程缘分析，该喷方法为直饮接动力分程析方法。勉以上方法哭主要针对卖结构在地兆震作用下环的弹性阶孝段，保证鸟结构具有残一定的屈定服水准。抹对结构抗蚂震性能进议行分析是馋抗震研究长的一项重触要内容，胆非线性时算程分析，牺