我國鋼筋混凝土抗震設計的基本思路和方法

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地震災害具有突發(fā)性，至今可預報性很低，給人類社會造成的損失嚴重，是各類自然災害中最嚴重的災害之一。我國根據(jù)現(xiàn)有的科學水平和經(jīng)濟條件，對建筑抗震提出了“三個水準”的設防目標，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、設防烈度地震、罕遇地震。
1 結構設計地震力的確定
　　1.1 低地震力取值的可行性
　　到二十世紀八十年代，各國設計規(guī)范都承認這樣一個事實，就是在地震作用下，結構在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結構延性），即結構在一個較小的地震下可能達到或者接近屈服狀態(tài)；而在較大的地震下，結構的若干部位將陸續(xù)進入屈服后的非彈性變形狀態(tài)，并且隨著地震力的增大，結構中進入彈塑性變形的部位增多，先進入屈服的部位彈塑性變形也增大。結構通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉換成熱能。
　　對于“設計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以從地震力和結構相互關系上進行理解：一方面設計地震力低的結構，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結構非彈性變形越大，剛度降低越嚴重，阻尼增大，周期比高設計地震力的結構增長越多，結構受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設計過程中，在不降低構件豎向承載力保證結構延性的前提下，可以取用一個小于設防烈度地震反應水準作為設計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設計地震力越低，結構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到的非彈性變形就越大，也就需要結構有更好的延性性能。
　　這樣，我們就需要解決如下兩個問題：
　　A． 如何在設防烈度地震作用與設計地震力取值之間建立恰當?shù)穆?lián)系；
　　B． 如何在設計地震力與所要求的結構延性建立對應關系。
　　對于問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學者認為，將設防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結構性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結構設計加速度，相當于賦予結構一個較小的屈服承載力，結構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。因而，采用低設計地震力的關鍵在于保證結構及構件在大震下達到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結構性能系數(shù)q，各國設計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設防烈度地震作用與結構截面設計所用的地震作用的比值。 R或q越大，則要求結構達到的延性能力越大，R或q越小，則結構需要達到的延性能力越小。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構的承載力，低地震力方案主要保證結構的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟性來看，都能達到設防目標。我國的抗震設計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設防烈度的小震地面運動加速度來確定結構的設計地震作用，并將它與其他荷載內力進行組合，進行截面設計，通過鋼筋混凝土結構在屈服后的地震反應過程中形成較為有利的耗能機構，使結構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。當然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結構在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結構的延性水平而結構的屈服水準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、斷層機制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機性。要想得出地震動對于不同結構有什么不同的反應，就需要在地震動特性與結構反應架起一座橋梁。由于地震動反應譜的形狀特征反應了不同類型結構動力最大反應的特點，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、結構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，給出了抗震設防烈度（中震）下的設計基本地震加速度。通過對震級、震中距、場地類別等因素對結構反應譜的影響，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。從而得到小震時結構的設計加速度，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（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“中等延性結構”水平。但是中國設防烈度下水平地面運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）。結構動力放大系數(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，造成反應譜的取值較其他國家的低，實質上中國R＝2.8相當于歐共體的R＝5.0左右，所以實質上，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
　　隨著反應譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結構上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應譜法等方法。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量剛度沿高度分布均勻的結構，以及近似單質點的結構。結構的總地震力由確定，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。