我國鋼筋混凝土抗震設(shè)計的基本思路和方法

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地震災(zāi)害具有突發(fā)性，至今可預(yù)報性很低，給人類社會造成的損失嚴(yán)重，是各類自然災(zāi)害中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。我國根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件，對建筑抗震提出了“三個水準(zhǔn)”的設(shè)防目標(biāo)，即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。通常所講的小震、中震、大震分別指的是50年超越概率為63%，10%，2~3%的多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計地震力的確定
　　1.1 低地震力取值的可行性
　　到二十世紀(jì)八十年代，各國設(shè)計規(guī)范都承認(rèn)這樣一個事實，就是在地震作用下，結(jié)構(gòu)在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結(jié)構(gòu)延性），即結(jié)構(gòu)在一個較小的地震下可能達(dá)到或者接近屈服狀態(tài)；而在較大的地震下，結(jié)構(gòu)的若干部位將陸續(xù)進(jìn)入屈服后的非彈性變形狀態(tài)，并且隨著地震力的增大，結(jié)構(gòu)中進(jìn)入彈塑性變形的部位增多，先進(jìn)入屈服的部位彈塑性變形也增大。結(jié)構(gòu)通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉(zhuǎn)換成熱能。
　　對于“設(shè)計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以從地震力和結(jié)構(gòu)相互關(guān)系上進(jìn)行理解：一方面設(shè)計地震力低的結(jié)構(gòu)，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結(jié)構(gòu)非彈性變形越大，剛度降低越嚴(yán)重，阻尼增大，周期比高設(shè)計地震力的結(jié)構(gòu)增長越多，結(jié)構(gòu)受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設(shè)計過程中，在不降低構(gòu)件豎向承載力保證結(jié)構(gòu)延性的前提下，可以取用一個小于設(shè)防烈度地震反應(yīng)水準(zhǔn)作為設(shè)計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設(shè)計地震力越低，結(jié)構(gòu)屈服部位在屈服后水平和豎向承載力不降低的前提下需要達(dá)到的非彈性變形就越大，也就需要結(jié)構(gòu)有更好的延性性能。
　　這樣，我們就需要解決如下兩個問題：
　　A． 如何在設(shè)防烈度地震作用與設(shè)計地震力取值之間建立恰當(dāng)?shù)穆?lián)系；
　　B． 如何在設(shè)計地震力與所要求的結(jié)構(gòu)延性建立對應(yīng)關(guān)系。
　　對于問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學(xué)者認(rèn)為，將設(shè)防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結(jié)構(gòu)設(shè)計加速度，相當(dāng)于賦予結(jié)構(gòu)一個較小的屈服承載力，結(jié)構(gòu)在豎向承載力不降低的情況下，通過屈服后的非彈性變形來經(jīng)受更大的地震，實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。因而，采用低設(shè)計地震力的關(guān)鍵在于保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在大震下達(dá)到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q，各國設(shè)計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設(shè)防烈度地震作用與結(jié)構(gòu)截面設(shè)計所用的地震作用的比值。 R或q越大，則要求結(jié)構(gòu)達(dá)到的延性能力越大，R或q越小，則結(jié)構(gòu)需要達(dá)到的延性能力越小。這樣均能實現(xiàn)“大震不倒”。
　　對于問題B，國外一般有如下三種設(shè)計方案：（1）較高地震力——較低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）較低地震力——較高延性方案。高地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的承載力，低地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟(jì)性來看，都能達(dá)到設(shè)防目標(biāo)。我國的抗震設(shè)計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設(shè)防烈度的小震地面運(yùn)動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進(jìn)行組合，進(jìn)行截面設(shè)計，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應(yīng)過程中形成較為有利的耗能機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力來實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。當(dāng)然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結(jié)構(gòu)在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結(jié)構(gòu)的延性水平而結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)并沒有明顯提高是明顯不如方案（1）和（2）的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案（1）和（2）是優(yōu)于方案（3）的。
　　地震動以波的形式在地下及地表傳播，由于震源特點、斷層機(jī)制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機(jī)性。要想得出地震動對于不同結(jié)構(gòu)有什么不同的反應(yīng)，就需要在地震動特性與結(jié)構(gòu)反應(yīng)架起一座橋梁。由于地震動反應(yīng)譜的形狀特征反應(yīng)了不同類型結(jié)構(gòu)動力最大反應(yīng)的特點，所以各工程中一般采用地震影響系數(shù)譜曲線作為計算地震作用的依據(jù)。
　　我國的譜曲線綜合考慮了烈度、震中距、場地類別、結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比的影響。根據(jù)新修訂的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，給出了抗震設(shè)防烈度（中震）下的設(shè)計基本地震加速度。通過對震級、震中距、場地類別等因素對結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜的影響，抗震規(guī)范把動力放大系數(shù)取為2.25。根據(jù)統(tǒng)計資料，多遇地震烈度比基本烈度降低約1.55度，相當(dāng)于地震作用降低0.35倍，即地震力降低系數(shù)為1/0.352.8。從而得到小震時結(jié)構(gòu)的設(shè)計加速度，其值與重力加速度的比值即為小震時水平地震影響系數(shù)最大值。
與其他國家相比，我國的地震力降低系數(shù)R2.7~2.8，其取值與新西蘭“有限延性框架”相當(dāng)（R=3）；介于歐洲共同體低延性DC“L”（R=2.5）和中延性DC“M”（R=3.75）之間；比美國的“一般框架”（R=3.5）還要略小些。單純從R的角度來看，似乎中國規(guī)范在大震下的延性需求和其他國家相比處在“中等延性結(jié)構(gòu)”水平。但是中國設(shè)防烈度下水平地面運(yùn)動的峰值加速度系數(shù)的取值，要比其他各個國家的低（見下表）。結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)相差不大都在2.25附近，而且我國的譜曲線平臺段與其他國家相比很小，下降段較陡，造成反應(yīng)譜的取值較其他國家的低，實質(zhì)上中國R＝2.8相當(dāng)于歐共體的R＝5.0左右，所以實質(zhì)上，我國采用的是“較低地震力——較高延性”方案。在大震下所需要的延性需求與其他國家相比，應(yīng)該屬于高延性需求。
各國規(guī)范 美國UBC 1997 新西蘭NZS3101 歐洲EC8 中國GB50011-2001
加速度系數(shù) 0.075~0.40 0.21~0.42 0.12~0.36 0.05~0.40
　　1.2 地震作用計算
　　隨著反應(yīng)譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結(jié)構(gòu)上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法等方法。我國規(guī)范規(guī)定：
　　底部剪力法適用于高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量剛度沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似單質(zhì)點的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的總地震力由確定，然后再沿高度按倒三角形分布分配，并考慮了地震中可能頂部地震力增大的頂點附加集中力。