试论抗震设计的基本思路及不足.doc

1、试论抗震设计的基本思路及不足摘要：地震是人类至今可能遭遇的最严重自然灾害之一，本文通过对我国现行的相关规范的理解，同时对比欧美等国的抗震思路，认识我国抗震设计的基本思路和一些不足。在今后的抗震设计中，可以使我们的设计工作做的更为严谨、合理。 关键词：结构设计抗震延性抗震构造措施 中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号： 1 抗震设计的发展 地震灾害具有突发性，至今可预报性很低，一旦发生，都会给人类社会造成严重的损失，是最严重的自然灾害之一，2008 年 5 月 12 日的汶川特大地震无疑再次说明地震灾害的残酷。 建筑结构抗震的发展是随着人们都地震动和结构特性的认识不断深入而逐

2、渐发展起来的，从诞生至今不过百年的历史，大致有以下四个发展阶段：由日本大森房吉教授通过对当时有限的震害观测和理论认识提出的静力抗震设计理论；到了上世纪 30 年代随着真实地震动记录的获取和结构动力学理论的发展，1940 年美国的 Biot 教授提出了弹性反应谱的设计概念；在对地震动认识和理解的不断加深，认识到反应谱的一些不足，创立了动力理论设计；在 1994 年美国 Northridge 地震和 1995 年日本 Kobe 地震后，美日学者又提出了基于性态的抗震设计理论。 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

3、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。 2 抗震设计的实现方式 我国根据现有的科学水平和经济条件，对建筑抗震提出了“三个水准”的设防目标，即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒” 。通常所讲的小震、中震、大震分别指的是 50 年超越概率为 63%，10%，23%的多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震。为了实现“三个水准”的设防目标，我国规范从地震作用计算、结构抗震变形验算和概念设计三个方面来满足。 2.1 地震作用计算 随着反应谱理论的不断成熟，各个国家对地震力在结构上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反应谱法等方法。我国规范规定： 底部剪力法适用于高度不超过 40m，

4、以剪切变形为主且质量刚度沿高度分布均匀的结构，以及近似单质点的结构。振型分解反应谱法适用于当前现有大多数建筑结构体系。 规范同时还规定，对特别不规则的建筑，甲类建筑，规范表5.1.21 所列高度范围的高层建筑，应用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。另外一般弹性时程法分析的结果有利于判断薄弱层部位。对于 9 度地区高层建筑考虑竖向地震力，采取与底部剪力法类似的方法。对于长周期结构，地震作用中的地面运动加速度和位移可能对结构具有更大的影响，而振型分解反应谱法无法对此作出估计，新规范同时还增加了楼层水平地震剪力最小值的要求，见抗震规范 5.2.5 条。 2.2 结构抗震变形验算 抗震设防三水准

5、的要求是通过两阶段设计来保证的：多遇地震下的承载力验算，建筑主体结构不受损，非结构构件没有过重破坏保证建筑正常使用功能；罕遇地震作用下建筑主体结构遭遇破坏，但不倒塌。结构抗震变形验算是两阶段设计很重要的内容。 第一阶段设计，变形验算以弹性层间位移角表示。以保证结构及非结构构件不开裂或开裂不明显，保证结构整体抗震性能。新规范增加了变形验算的范围，对以弯曲变形为主的高层建筑可以扣除结构的整体弯曲变形，因为这部分位移对结构而言是无害位移，只是人的舒适度感觉不同而已。 第二阶段的变形验算为罕遇地震下薄弱层弹塑性变形验算，以弹塑性层间位移表示。根据震害经验、实验研究和计算结果分析提出了构件和节点达到极限

6、变形时的层间极限位移角，防止结构薄弱层弹塑性变形过大引起结构倒塌。 2.3 结构抗震概念设计 由于建筑抗震设计的复杂性，在实际工程中抗震概念设计就显得尤为重要。它主要包括以下内容：建筑设计应注意结构的规则性；选择合理的建筑结构体系；抗侧力结构和构件的延性设计。 我国规范概念设计分为内力调整和构造两个方面。它是二十世纪 70年代后期，新西兰知名学者 T.Paulay 和 Park 提出的钢筋混凝土结构在设计地震力取值偏低的情况下具有足够延性的方法。其核心思想为：通过“强柱弱梁”引导结构形成“梁铰机构”或者“梁柱铰机构” ；通过“强剪弱弯”避免结构在达到预计延性能力前发生剪切破坏；通过必要构造措施

7、使可能形成塑性铰的部位具有必要的塑性转动能力和耗能能力。“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。 “强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。 “强节点强锚固

8、”：节点作为梁柱钢筋的锚固区，对结构性能影响很大。为保证在地震和竖向荷载作用下，节点核心区剪压比偏低时为节点核心区提供必要的约束，保持节点在不利情况下的基本抗剪能力，使梁柱纵筋可靠锚固，对节点核心区的箍筋最大间距、最小直径、体积配箍率做出了规定。梁柱纵筋在节点的可靠锚固是节点构造措施的主要内容。规范对梁筋过中节点的直径；对梁柱纵筋锚固长度；锚固方式都有详细的规定。 3 我国抗震设计的不足 我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。 其中，最值得我们注意的是，

9、与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还存在一定的差距。欧洲和新西兰规范按地震作用降低系数（“中震”的地面运动加速度与“小震”的地面运动加速度之比）来划分延性等级， “小震” 取值越高，延性要求越低， “小震”取值越低，延性要求越高。美国 UBC 规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的。而目前我国将地震作用降低系数统一取为 2.86，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。对延性要求则并未按关系来取对应的，而是按抗震等级来划分，抗震等级实质又主要是由烈度分区来决定的。这就导致

10、同一个抗震等级对应了不同的烈度，从而制定了不同的抗震措施，这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。 另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说，并不都是恰当的。这种笼统的设防目标也不符合当今国际上的“多层次，多水准性态控制目标”思想，这种多性态目标思想提倡在建筑抗震设计中应灵活采用多重性态目标。甲类建筑指重大建筑工程和地震时可能发生严重此生灾害的建筑，乙类建筑指地震时使用不能中断或需要尽快修复的建筑，由于不同类别建筑的不同重要性，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标（设防目标） ，此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。 参考文献： 1.混凝土结构设计规范 GB 50010-2010 中国建筑工业出版社，2010。 2. 建筑抗震设计规范 GB50011-2010 中国建筑工业出版社，2010。 39a Z!qy T+S &S4444.高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010 中国建筑工业出版社，2010。