钢筋混凝土结构抗震设计思路和理解

简介： 目前，世界各国的抗震规范几乎都采用这样一种思路：采用按可能遭遇的地震强弱划分地震分区；根据各地区的历史发生地震的统计结果或对地质构造的历史考察给出具有明确统计含义的设防水准地面运动峰值加速度；再利用加速度反应谱给出不同周期下结构的反应加速度；通过地震力调整系数R得到设计用加速度水准。同时，多数国家都认同这样的观点，设防烈度水准可以取用不同的值，选用越高的设防烈度水准，结构的延性要求也就越低，选用越低的设防烈度水准，结构的延性要求就越高。结构延性保障的先决条件是构件的延性，在采用一系列措施保障构件延性的基础上，再通过有效合理的连接，同时结构体系选择合理，刚度分布合理的条件下就能基本保证结构的延性。
关键字：钢筋混凝土结构 抗震设计 思路 理解

一.抗震设计思路的简单回顾

　　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渐发展起来的，从诞生至今不过百年的历史，大致有以下几个发展阶段：
　　(1) 静力阶段，它最先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抗震设计理论,仅仅适用于刚体结构。它没有考虑结构的动力特性和场地差别对建筑结构的影响,不加区分的对所有结构都采用一个统一水平地震力V=kW(k≈0.1;W为结构的重量)来考虑地震作用效应的影响。
　　（2）反应谱阶段，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概念，反应谱是单自由弹性体系在获取的众多地震记录的激励下，结构周期与响应之间的关系，包括加速度反应谱，速度反应谱，位移反应谱。它综合考虑了结构的动力特性，至今仍然是各国规范设计地震力取值的基础。
　　地震作用力的计算常常用底部剪力法和振型分解反应谱法，振型分解反应谱法的基本概念是：假定建筑结构是线弹性的多自由度体系，利用振型分解和振型正交性的原理，将求解n个自由度弹性体系的地震反应分解为求解n个独立的等效单自由度弹性体系的最大地震反应，进而求得对应于每一个振型的作用效应。此时，就可以根据考虑地震作用的方式不同，采用不同的组合方式，对于平面振动的多质点弹性体系，可以用SRSS法，它是基于假定输入地震为平稳随机过程，各振型反应之间相互独立而推导得到的；对于考虑平—扭耦连的多质点弹性体系，采用CQC法，它与SRSS法的主要区别在于：平面振动时假定各振型相互独立，并且各振型的贡献随着频率的增高而降低；而平—扭耦连时各振型频率间距很小，相邻较高振型的频率可能非常接近这就要考虑不同振型间的相关性，还有扭转分量的影响并不一定随着频率增高而降低，有时较高振型的影响可能大于较低振型的影响，相比SRSS时就要考虑更多振型的影响。底部剪力法考虑到结构体系的特殊性对振型分解反应谱法的简化，当建筑物高度不大，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，结构振动位移反应往往以第一振型为主，而且第一振型接近于直线时，就可以把振型分解法简化为基本的底部剪力法计算公式。这个基本公式计算得到的各质点的水平地震作用可以较好的反映刚度较大的结构，但当结构基本周期较长，场地特征周期较小时，计算所得顶部地震作用偏小，为此，《抗震规范》规定，当结构基本周期大于1.4倍的场地特征周期时，在顶部附加水平地震作用。
　　（3）动力理论阶段，随着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，如对地震动持时的影响考虑不周，再加上计算机性能的提高，使得动力法逐渐发展起来了，它的本质直接求解动力方程，但是由于地震时地面运动加速度极不规则，对于微分方程无法求出它的闭合解，因此多采用数值积分法。通常的做法是对已记录的地震波进行连续分段处理，每段的数据都看做不变的，然后作用到结构上，通过动力平衡方程来求得此刻的加速度、速度、位移反应，接着与前一段的加速度、速度、位移进行叠加，把叠加的结果作为下一时段的初始数据，依此类推，最终求得结构在所给出低周反复地震波下的加速度、速度和位移动力反应变化过程。
　　（4）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方法，基于性态的基本思想，就是使建筑结构在使用期间满足各种使用功能的要求。它与传统基于力的设计方法不同，对结构性能的评判主要是基于位移准则，用不同的位移指标来对结构性能进行不同的控制。但是由于大震下结构的非弹性变形难以准确的估计，使得基于性态的设计方法只能停留在理论上。但提出它的积极意义至少有两点：1. 强调地震工程的系统性和社会性；2. 认识到原有抗震设计规范的部分不合理性。
　　作为基于性能抗震设计的基础，应该对某一具统计意义的特定水平地震作用下的结构位移，速度和加速度进行准确的评估，还应该有一个合理的评估方法和可用的评估工具。正是因为这个目的，提出和发展了Pushover方法和能力谱方法。Pushover方法的基本思路是采用静力加载，假定某一分布形式的侧向荷载作用在结构上，逐渐加载直到达到结构控制点目标位移或结构破坏，从而得到控制点的水平侧移与基底剪力关系曲线，用以评估结构的抗震性能。Pushover方法依赖于侧向力的分布形式和弹塑性反应谱目标位移的确定。

二. 钢筋混凝土抗震设计的基本思路——设计力延性准则

　　在弹性反应谱提出之后，人们发现由此计算所得的结构反应与实际地震时结构的破坏现象有一定的矛盾，主要是按弹性反应谱算得的结构反应加速度为当时习惯性设计地震力的取值大好几倍，而且按照习惯性取定的设计地震力的作用下设计的房屋结构，在地震中结构体系的损伤并不严重。上世纪60年代，Newmark通过对不同周期的初始刚度相同的单自由度体系在多波输入的条件下进行了分析，提出了等位移原理和等能量原理，并提出了结构延性的概念。其后，又深入地研究了单自由体系的屈服水准与弹性自振周期以及结构最大非弹性动力反应之间的关系，这就是习惯上所说的R-μ-T效应的理论。通过这些研究，揭示了延性能力和塑性耗能是结构在取用屈服水准不高的情况下，在大震下结构不发生严重破坏和不倒塌的保证。到这里，关于设计地震力取值大小的基本问题就得到了解决，就是抗震时地震力取值的大小不是一个确定的数值，而是和结构延性性能和耗能机制相关的量值。这里需要说明的是，设计地震力取值仅仅解决了一个方面的问题，而对结构延性性能保障方面的措施还必须得以保证，这将在下面一节讨论。
　　目前，世界各国的抗震规范几乎都采用这样一种思路：采用按可能遭遇的地震强弱划分地震分区；根据各地区的历史发生地震的统计结果或对地质构造的历史考察给出具有明确统计含义的设防水准地面运动峰值加速度；再利用加速度反应谱给出不同周期下结构的反应加速度；通过地震力调整系数R得到设计用加速度水准。同时，多数国家都认同这样的观点，设防烈度水准可以取用不同的值，选用越高的设防烈度水准，结构的延性要求也就越低，选用越低的设防烈度水准，结构的延性要求就越高。结构延性保障的先决条件是构件的延性，在采用一系列措施保障构件延性的基础上，再通过有效合理的连接，同时结构体系选择合理，刚度分布合理的条件下就能基本保证结构的延性。
　　下面这种谈谈我国抗震规范的大致思路，现行的中国规范没有采用多种设防烈度水准的取用，而不加区分的统一采用的地震力调整系数R=1/0.35；同时，大致根据设防烈度的不同，划分不同的抗震等级，着眼于不同的设防烈度，采用不同的保证延性的抗震措施。这里很明显就存在一个概念的误解，也就是按照R-μ-T效应的理论，同样是地震力调整系数R=1/0.35，对结构应该给予同样的延性保障措施，而中国规范却采用了不同延性保障措施，随着抗震等级的提高，延性保障能力相应加强。这种做法的有效性正在进行非线性动力反应的验证，大致结果可以这样描述：对于8度0.3g和9度0.4g的区域，由于相应的抗震等级比较高，保障延性的措施也比较强，所以一般比较安全；而对于6度0.05g和7度0.1g 的区域，由此所得到的水平地震效应偏小，一般荷载组合是由重力荷载起控制作用，虽然对应的保障延性的措施不是很强，一般也能够保障结构在大震下的非弹性变形的性能；但对7度0.15g和8度0.2g的区域，情况就另人担忧了，因为在荷载组合时，地震作用一般能起到控制作用，而相应保障延性的措施又偏弱，这样就难免存在一定的安全隐患。
　　再来看看其他国家地震力调整系数R的选用，以便有一个直观具体的认识：
　　各国规范规定的地震力调整系数

　　同时需要说明的是：1. 中国、美国、新西兰和欧洲在设防烈度地震上的取值具有相同的统计意义，即以接近或以50年超越概率为10%的地震作为基准地震；2. 新西兰规范引导设计者优先采用“延性结构”，美国规范对高烈度区要求使用“特殊框架”；对中等烈度区，推荐使用“中等框架”，也允许使用“特殊框架”；对较低烈度区，推荐使用“一般框架”，也允许使用“中等框架”和“特殊框架”；3. 各国在根据反应谱对设计地震力的绝对取值的大小上，有一定的差异。大致说来就是按照我国抗震规范R=2.86的前提下进行比较，对短周期和较长周期和其他国家的地震影响系数的取值大致相同，但对中等周期的结构按我国规范取值所得的地震作用偏小。这就直接导致中等周期的结构同国外同类型的结构相比（这个周期范围内，我国R=2.86的地震力取值和国外R=5的地震力取值大致相当，而延性的保障是在设定的地震力的基础上进行），延性较差。

三. 能力设计法

　　上面一个部分着重讨论了设计地震力取值的问题，但要保证结构在大震下的性能，还需要制订有效的抗震措施，使结构确实具备所需要的保持竖向承载力条件下非弹性变形能力，这就是所谓的能力设计法。
　　能力设计法由新西兰钢筋混凝土抗震专家T. Paulay和R. Park等学者发展和倡导，主要思路是对构件间或构件内不同受力形式间的承载能力差的控制，保证钢筋混凝土结构形成梁铰机构和延性较大的正截面受力破坏形态，使结构具有足够的弹塑性变形性能，保证大震时具有足够的能力耗散性能，避免产生脆性破坏和出现不利的机构形式。能力设计法的关键是将控制概念引入结构的抗震设计，有目的的引导形成对结构有利的破坏机制和破坏模式，避免不合理的结构破坏形态，并设法保证预计破坏部位的弹塑性变形能力。
　　能力设计法主要通过以下三种措施给予保证：1. 增大柱相对于梁的抗弯能力，人为的引导结构的出铰部位。2. 提高相对于正截面承载力的抗剪能力，避免出现非延性的剪切破坏。3. 对有可能出现塑性铰的部位，采用相应的构造措施，保证必要的非弹性变形性能。
　　首先对出铰的合理部位进行讨论，各国大致的思路差不多，都偏向于使梁端先于柱端出现的方案。这种出铰方案有以下优点：梁的延性易于控制，且一般情况下比柱的延性大；梁铰比柱铰形成的整体塑性变形小；梁铰机构形成的塑性变形比较稳定。在承认优先形成梁铰的前提下，还有两种不同的设计方法，一种是由新西兰为代表的，倾向于形成理想的梁铰机构，就是保证梁端出现塑性铰，而柱子除底层外，均不出现塑性铰，此时对除底层柱外给柱子相对于梁比较大的超强系数（大概2.0），好处是这时柱子（除底层外）不需要进行复杂的配箍，因为采用这样的系数能保证出铰很明确。但正是由于这种设计方法追求理想的梁饺机构导致底层柱子相比较弱，就有出铰的可能，相应就必须采用构造措施保证这个部位的塑性变形性能。同时，如若底层出铰对结构的影响就会较大，一旦压溃可能会导致结构的整体倒塌，这就必须从构造上给予保障，增加了构造的难度。另一种方案包括美国、欧共体、中国等，这种方案引导结构柱铰晚于梁铰出现，同时可不限制铰的出现，但要求结构不形成层侧移结构，这时对柱子的超配系数比起新西兰要求的要小（大概1.4），同时对柱子采用配箍筋加以约束的方案。其实对柱子采用超配系数的确定问题比较复杂：梁端构造的超配的影响；梁柱端塑性铰出现内力重分布的影响；屈服前的非弹性特征可能使柱子的实际弯矩大于弹性分析得到的弯矩；材料差异所带来的不确定因素；结构非弹性特征的发育导致结构动力特性变化所带来的影响等等。按照能力设计的要求，剪力墙的塑性铰一般出现在墙肢的底部。联肢剪力墙的承载力和延性与洞口连梁的承载力和延性有很大的关系，一般尽可能的设计成弱连梁，有意识的引导连梁在地震时首先屈服，然后是底部墙的屈服，也就是预计塑性铰区的屈服。
　　避免出现过早剪切破坏的原因很简单，就是因为剪切破坏属于脆性破坏，不利于保证结构的延性，保证的办法就是按照抗震等级的不同对所有的梁、柱、墙等构件采用相对于抗弯的不同的超配系数。
　　抗震抗剪的基本要求是在梁端塑性铰大震中所需塑性转动之前不发生剪切破坏，这与非抗震抗剪有概念性的差异。对于各种不同的结构构件的抗剪机理和我国规范的处理方式，这里有必要说明一下。梁：抗震时由于低周的反复作用使得梁出现交叉斜裂缝，斜裂缝的分布决定了抗震的抗剪能力比非抗震有所下降，原因：抗震时的剪切破坏发生在纵筋屈服之后，这时裂缝较大；交叉裂缝的出现对混凝土的损伤更加严重；抗震时加大梁端负弯矩的数值，导致较大的剪力值出现在梁的下端，由于下端没有现浇板，更容易破坏。但此时箍筋的作用与非抗震时的作用相差无几，规范上对此不利作用的考虑是采取对抗剪公式中对混凝土项0.6的折减，同时，为了避免非延性的斜压破坏，采用了比非抗震时更严厉的限制措施，把截面的剪力设计值比非抗震时乘以0.8的折减系数。柱：规范中对抗震时柱的抗剪公式的处理原则一样，也是对混凝土项采用0.6的折减系数，同样采用更严厉的措施防止斜压破坏，把截面的剪力设计值比非抗震时乘以0.8的折减系数。但由于一般情况下，柱的轴压力比较大，这种压力对于柱出现塑性铰后对构件的抗剪性能偏有力，按照这种思路，柱采用和梁一样的折减似乎不大合理。墙：抗震时，国内几乎没有相关的试验资料，仅仅是采用对非抗震的抗剪公式对混凝土项和钢筋项都采用了0.8的折减系数，同时，为防止斜压破坏，采用限制剪压比的办法，把截面的剪力设计值比非抗震时乘以0.8的折减系数。需要说明的是，一般情况下，剪力墙抗剪存在问题的部位大概是下部几个楼层。节点：主要的承受剪力构件，节点剪力主要是依靠桁架机构、斜压杆机构、箍筋的约束效应三个机构或途径来承受。桁架机构主要是抵抗钢筋主拉应力，斜压杆机构主要是抵抗混凝土及钢筋产生的主压应力，箍筋的约束效应则是增强混凝土的抗剪能力。随着节点区内混凝土非线性的发展，桁架结构的作用不断减小，而后两者的作用却在不断增强。因此，节点抗震的主要目标是在反复受力的情况下，通过加强斜压杆机构和箍筋约束效应来避免核心区混凝土斜向压溃从而使节点在达到预计的大震反应之前不发生剪切破坏。
　　对于以上抗剪机理的讨论后，就可以梁柱箍筋的作用做如下总结：第一个显而易见的作用是用于抗剪；第二个作用是约束混凝土，这对保障结构延性起非常重要的作用，这里还可以随便说一下高强混凝土用于抗震时所遇到的障碍，这首先和高强混凝土的材性相关，强度越高的混凝土就越脆，它的应力应变关系中达到最大压应力的应变比较小，这就使得设计成延性构件形成很大的困难，同时由于混凝土的强度越高，箍筋起约束的效能就越差，也就不能够有效的提高混凝土的极限压应变，这样就导致了采用高强混凝土的结构构件的延性难以得到保障；第三个作用是对梁端纵向钢筋的约束作用，防止纵向钢筋的失稳，这与钢筋的特殊材性有关（钢筋的包兴格效应）。
　　最后，讨论一下在预计出现塑性铰的部位如何保障构件的非弹性变形性能。1. 在以塑性铰的长度为基础，配加密箍筋目的是从构造上对框架梁、柱塑性铰区的受压区混凝土提供约束，并约束纵向受力钢筋，防止它在保护层混凝土脱落后过早压屈，以保证梁、柱端塑性铰的转动能力；并要求柱子的钢筋搭接应该位于塑性铰区以外的部位；抗震结构的最小配筋率比非抗震结构的要大。2. 采用对框架梁的混凝土受压区高度和柱的轴压比进行了相关的要求；还有对梁的跨高比进行了限定。3. 节点：为了避免当弹性变形较大时，梁端的钢筋屈服区向节点内渗透，贯穿节点的梁筋粘结退化与滑移加剧，从而使框架刚度和耗能性能进一步退化，规范中要求贯穿节点的每根梁筋直径不宜大于柱截面高度的1/20。4. 剪力墙在周期反复荷载作用下的塑性变形能力与墙肢的轴压比的大小有着密切的关系。规范相应规定了对一、二级抗震等级的剪力墙，在塑性铰可能出现的底部加强部位，规定了重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比限值。而且要求一、二级抗震等级下，当剪力墙底部可能出现塑性铰的区域内轴压比较大时，应通过约束边缘构件为墙肢两端的混凝土提供足够的约束；对三、四级抗震等级的剪力墙肢，用构造边缘构件为墙肢两端的混凝土提供约束。

四. 一些补充说明

　　上面的所有讨论的基础都是基于设计使用年限为50年的丙类建筑，对于甲级和乙级的房屋建筑应该按照抗震规范3.1.3条，采用相应的对地震力的取值和抗震措施。对于设计使用年限为100年及其以上的丙类建筑，结构设计时应另行确定在其设计基准期内的活荷载、雪载、风载和地震作用的取值，确定结构的可靠度指标以及确定钢筋保护层厚度等构件的有关参数的取值。结构抗震设计所采用的基本地震加速度、抗震措施，应根据结构形式、设计使用年限、原设计基本地震加速度等条件专门研究后确定。
　　此外，由于抗震的受力特性，对钢筋和混凝土的材性和相应的构造做法应有一些基本的要求，如箍筋的135度弯钩；钢筋和混凝土材料的选用等，设计应给予充分的考虑。