淺析建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

吳笑梅

西部建筑抗震勘察設(shè)計研究院

一、我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的三水準(zhǔn)目標(biāo)及兩階段設(shè)計

    房屋建筑的抗震設(shè)計，要求在現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的前提下，處理地震風(fēng)險與結(jié)構(gòu)安全的關(guān)系。現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011規(guī)定了我國房屋建筑抗震設(shè)計的“三水準(zhǔn)”目標(biāo)，即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。這里的中震，是指設(shè)防烈度地震，然后將中震作用除以R（中國R≈2.86）來考慮小震水平（相當(dāng)于50年超越概率為63%），另外還規(guī)定了50年超越概率為2%~3%d的地震為罕遇地震

    目前，抗震設(shè)計規(guī)范通過兩階段的設(shè)計方法來實(shí)現(xiàn)上述的三水準(zhǔn)抗震目標(biāo)。第一階段設(shè)計按小震對應(yīng)的地震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和結(jié)構(gòu)的彈性變形，第二階段按罕遇地震對應(yīng)的地震作用效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。

二、場地反應(yīng)及地基效應(yīng)

    對于硬、軟巖石場地，基巖運(yùn)動的場地放大效應(yīng)通常較小，在危險性評價中可忽略不計。對于密實(shí)土和軟土場地 ，確定地震需求的更完善的方法是完成一項場地反應(yīng)考察。其中，基巖震動靠豎向傳播的剪切波經(jīng)非線性土層向上傳遞。當(dāng)前，正在形成模擬從斷裂到場地的整個波動傳播過程的精細(xì)全面的三維方法。對于建在較軟土層上的具有深埋實(shí)體基礎(chǔ)或基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的高層建筑設(shè)計，關(guān)鍵是在給出地震動在地基層中隨深度的變化規(guī)律后，找出更適合用于建筑物的設(shè)計的地震動。另外“基礎(chǔ)地震動”有可能明顯不同于地震危險性評價所預(yù)測的自由場地地面運(yùn)動。

    土—結(jié)構(gòu)相互作用用來描述基礎(chǔ)和土層對結(jié)構(gòu)性能的影響。一般來說，這種影響包括以下三個方面：

    第一：土壤—基礎(chǔ)體系在滑動和轉(zhuǎn)動中具有一定的質(zhì)量和可變性；

    第二：地震能量經(jīng)地基基礎(chǔ)傳入上部結(jié)構(gòu)，同時結(jié)構(gòu)中的震動能量會傳入地基，并由地基以及從基礎(chǔ)經(jīng)應(yīng)力波的形式外輻射而耗散。

    第三：傳入建筑物的地震地面運(yùn)動受基礎(chǔ)的埋深和剛度的影響。在結(jié)構(gòu)抗震實(shí)踐中，有時土壤的非線性性能有時會成為一個起控制作用的因素，并應(yīng)考慮到土壤在大應(yīng)變下的應(yīng)變軟化和附加滯回阻尼。

三、抗震設(shè)計保證延性設(shè)計的抗震措施

    兩階段設(shè)計方法，第一階段用小震對應(yīng)的地震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的組合進(jìn)行截面設(shè)計并驗(yàn)算小震作用下結(jié)構(gòu)的彈性變形，給出了具體設(shè)計方法確保了“小震不壞”，但是第二階段按罕遇地震對應(yīng)的地震作用效應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，只是給出了驗(yàn)算指標(biāo)，滿足了結(jié)構(gòu)彈塑性變形就能保證“大震不倒”。而如何保證中、大震下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形要求，在具體設(shè)計過程中，規(guī)范是通過“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的計算要求，以及抗震構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)在超過該地區(qū)小震水平的地震發(fā)生時，結(jié)構(gòu)能形成良好的塑形耗能機(jī)構(gòu)，具有良好的延性，以滿足中、大震下的變形要求。

    強(qiáng)柱弱梁措施，是指通過人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架的塑性變形更多的出現(xiàn)在梁端，而不是柱端，從而形成以梁端出現(xiàn)塑性鉸為主的塑性耗能機(jī)構(gòu)，即“梁鉸機(jī)構(gòu)”。反之，在強(qiáng)梁弱柱的情況下，由于鋼筋混凝土框架梁的抗彎能力相對大于柱的抗彎能力，使鋼筋混凝土框架的塑性變形更多的出現(xiàn)在柱端，只要某一層全部柱的上、下端由于塑性變形過大而形成塑性鉸，則該層就與其上樓層一起形成機(jī)構(gòu)，及“柱鉸機(jī)構(gòu)”。

    強(qiáng)剪弱彎措施，因?yàn)樗�有的剪切失效都是非延性的或是說延性很小，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要保證結(jié)構(gòu)的延性，就必須以構(gòu)件彎曲時主筋受拉屈服破壞為主，避免剪切破壞，通過人為加大柱端、梁端和節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，也就是人為加大這些部位相對于正截面承載能力的抗剪能力，使結(jié)構(gòu)能在大震引起的交替非彈性變形過程中構(gòu)件不發(fā)生剪切破壞，使構(gòu)件實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”。

    通過“強(qiáng)柱弱梁”引導(dǎo)形成了梁鉸塑性耗能機(jī)構(gòu)，并通過“強(qiáng)剪弱彎”防止沒有延性的剪切破壞。另外，規(guī)范還通過一系列抗震構(gòu)造措施和限制條件來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力。

四、結(jié)語

    通過多年對于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的研究，我國已經(jīng)逐漸形成了自己的一套較為先進(jìn)的、有效的抗震設(shè)計方法并日趨成熟，但是也有很多不足之處，需要我們在實(shí)踐中加以完善。總之，要確保建筑結(jié)構(gòu)中抗震設(shè)計能高效完成，應(yīng)在遵循相關(guān)建筑抗震規(guī)范要求的原則上，進(jìn)行科學(xué)的、合理的設(shè)計，確保建筑物具有穩(wěn)定的、可靠的抗震性能，達(dá)到建筑物小震不壞、中震可修、大震不倒的標(biāo)準(zhǔn)。我們有理由相信，隨著相關(guān)技術(shù)人員抗震設(shè)計水平的不斷提高，我國的建筑工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計也會邁上更高的臺階。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)