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我国建筑结构的抗震设计思路

作者:lq  发布时间:2014-09-25

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。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。  

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1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 : 

1.1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。  

1.2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,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μ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。  

随着对地震作用规律认识的深入,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。  

2保证结构延性能力的抗震措施   

合理选择了结构的屈服水准和延性要求后,就需要通过抗震 措施来保证结构确实具有所需的延性能力,从而保证结构在中震、大震下实 现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容:  

2.1“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。  

2.2“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。  

2.3抗震构造措施:通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部 位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力,同时保证结构的整体性。

这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受,但是对于耗 能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先,这 两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。  

不需要被塑性力学的机构概念所限制,只要能在大震下实现 以下的塑性耗能机构,就能保证抗震设计的基本要求:①以梁端塑性铰耗能 为主;②不限制柱端塑性铰出现(包括底层柱底),但是通过适当增强柱端 抗弯能力的方法使它在大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量;③ 同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。  

我国的抗震措施中对耗能机构的考虑也基本遵循了这一思路 ,采用了“梁柱塑性铰机构”模式,而放弃了新西兰的基于塑性力学的“理 想梁铰机构”模式。  

抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生,采取 了“强剪弱弯”的措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注 意的是,与非抗震抗剪破坏相比,地震作用下的剪切破坏是不同的。 

延性对抗震来说是极其重要的一个性质,我们要想通过抗震 措施来保证结构的延性,那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件 ,延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点:混凝土极限压应变,破坏时 的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。在抗 震设计中为保证结构的延性,常常采用以下措施:控制受拉钢筋配筋率,保 证一定数量受压钢筋,通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混 凝土,对柱子限制轴压比等。  

3我国抗震设计思路中的部分不足   

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。

最值得我们注意的是,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2.81,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 R-μ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。这就导致同一个R对应了不同的μ,从而制定了不同的抗震 措施,这与R-μ关系是不一致的。这种思路造成低烈度区的结构延性要求可 能偏低的结果。

4常用抗震分析方法  

伴随着抗震理论的发展,各种抗震分析方法也不断出现在研 究和设计领域。在结构设计中,我们需要确定用来进行内力组合及截面设计 的地震作用值。对结构抗震性能进行分析是抗震研究的一项重要内容,非线 性时程分析,非线性静力分析是目前常用的几种抗震分析方法。它们的基本 原理和步骤是先以某种方法得到结构在可能遭遇地震作用下所对应的目标位 移,然后对结构施加竖向荷载的同时,将表征地震作用的一组水平静力荷载 以单调递增的形式作用到结构上,在达到目标位移时停止荷载递增,最后在 荷载中止状态对结构进行抗震性能评估,判断是否可以保证结构在该水平地 震作用下满足功能需求。  

从现代抗震设计思路提出至今,世界各国的抗震学术界和工 程界又取得了许多新的成果,比如进行了大量钢筋混凝土构件的抗震性能试 验;通过迅速发展的计算机技术编制了准确性更好的非线性动力反应程序; 在设计方法上也不再拘泥于以前单一的基于力的传统抗震设计方法,开始尝 试基于性能和位移的新的抗震设计理念。在这样的环境中,我国的抗震设计 思路也应该在完善自身不足的同时,不断向前发展。
 
 
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