地震災(zāi)害是人類面臨的嚴重自然災(zāi)害之一。地震具有突發(fā)性的特點,至今可預(yù)報性仍然很低。強烈地震常造成人身和財產(chǎn)的巨大損失。我國屬地震多發(fā)國家,需要考慮抗震設(shè)防的地域遼闊,因此研究結(jié)構(gòu)的抗震性能在我國具有充分的必要性。 
    我國的現(xiàn)代抗震設(shè)計理論是從五十年代開始,在國際抗震理論的推動下發(fā)展起來的,并逐漸形成了自己的特色。在積累了相當(dāng)?shù)难芯砍晒�和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,相繼制定了74 、78 、89 規(guī)范和新修訂的2001抗震設(shè)計規(guī)范(GB5001122001)按2001 年規(guī)范設(shè)計的建筑物的抗震能力較89 規(guī)范可提高10 %～15 % ,其技術(shù)含量達到國際先進水平。但由于受國家經(jīng)濟實力的限制,安全可靠度的設(shè)置仍低于美國等發(fā)達國家。 
    要想更好的執(zhí)行規(guī)范就必須明確抗震規(guī)范制定的基本思想,明確抗震設(shè)計的基本原則。下面著重從以下幾個方面做以闡述。 
    1、在地震作用下, 一味地追求結(jié)構(gòu)的強度并不可取,結(jié)構(gòu)的延性是非常重要的 
    地震分為小震、中震和大震。所謂小震指的是常遇地震,50 年出現(xiàn)的概率大約為63 % ,重現(xiàn)期為50 年。中震是指50 年出現(xiàn)的概率約為10 % ,重現(xiàn)期為475 年。而大震指的是罕遇地震,50 年出現(xiàn)的概率為2 %～3 % ,重現(xiàn)期為1641～2475 年。對于偶然性和隨機性很大的地震荷載,要想使結(jié)構(gòu)強度一定大于結(jié)構(gòu)反應(yīng),幾乎是不可能的,而且是十分不經(jīng)濟的。受社會承受犧牲的能力和經(jīng)濟制約的因素,我們只能從概率的角度出發(fā),使結(jié)構(gòu)在一定的概率保證下能安全正常地發(fā)揮作用。這就決定了抗震設(shè)計的基本原則,在我國即通常所說的“小震不壞,中震可修,大震不倒”。 
    在“小震”作用下,要求結(jié)構(gòu)不受損傷或不需修理仍可繼續(xù)使用。從結(jié)構(gòu)抗震分析角度來說,就是要求結(jié)構(gòu)在“小震”作用下保持準彈性反應(yīng)狀態(tài),而不進入使建筑物中斷使用和產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的非彈性反應(yīng)狀態(tài);同時結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形應(yīng)控制在合理的限制范圍以內(nèi),目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)向力剛度。 
    中震大概相當(dāng)于我們的設(shè)防烈度地震,當(dāng)遭遇到中震作用時,結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞,經(jīng)修復(fù)或不經(jīng)修復(fù)仍可繼續(xù)使用。從經(jīng)濟角度來說,維修費用不能太高。 
    對發(fā)生概率極小的罕遇大震(“大震”的烈度比設(shè)防烈度約高一度左右) 。要求當(dāng)結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”作用時,不應(yīng)倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。 
    這樣一個抗震設(shè)防目標是非常經(jīng)濟合理的。因為地震的發(fā)生太偶然,倘使我們一味地追求結(jié)構(gòu)的強度以保證中震甚至是大震作用下結(jié)構(gòu)不壞,這將會使極大量的材料在絕大部分時間里,甚至在整個壽命期內(nèi)都處于不能充分發(fā)揮作用的狀態(tài),這樣做是不明智的。 
    在上述設(shè)計原則指導(dǎo)下,就要求結(jié)構(gòu)處于這樣一種狀況:當(dāng)小震來臨,應(yīng)確保所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抵抗地震作用力時,具有足夠的強度,使其基本上處于彈性狀態(tài)。并通過驗算小震作用下的彈性位移共同來保證結(jié)構(gòu)不壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會發(fā)生明顯的非線性變形,也不必需要采取特殊的構(gòu)造措施。在中震作用下,結(jié)構(gòu)的某些關(guān)鍵部位超過彈性強度,進入屈服,發(fā)生較大變形,達到非線形階段,這時,我們就特別提出延性要求(延性指當(dāng)?shù)卣鹌仁菇Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大的非線性變形時,結(jié)構(gòu)仍能維持其初始強度的能力,是結(jié)構(gòu)超過彈性階段的變形能力,它是結(jié)構(gòu)抗震能力強弱的標志。它包括承受極大變形的能力和靠滯回特性吸收能量的能力,它是抗震設(shè)計當(dāng)中一個非常重要的特性) 。當(dāng)中震來臨的時候,因為結(jié)構(gòu)具有非彈性特征,某些關(guān)鍵部位超過其彈性強度,進入塑性狀態(tài)。由于它有一定的延性,它的非線性能夠承擔(dān)塑性變形,使它在變形中能夠耗費和吸收地震能量。代價是可能導(dǎo)致較寬的裂縫,混凝土表皮起殼、脫落,可能有一定的殘余變形,但不至于導(dǎo)致安全失效,以達到中震可修的設(shè)防目標。處于這個階段的結(jié)構(gòu),對延性就會提出相應(yīng)的要求,而延性就要靠精心設(shè)計的細部構(gòu)造措施來保證。當(dāng)大震來臨的時候,結(jié)構(gòu)的非線性變形非常大,也可能發(fā)生不可修復(fù)的破壞。處于這個階段的結(jié)構(gòu)就需要通過計算它的彈塑性變形來保證結(jié)構(gòu)不致倒塌。 
    所以,通常我們只需要按小震作用效應(yīng)和其它荷載效應(yīng)的基本組合,驗算構(gòu)件截面抗震承載力及結(jié)構(gòu)的彈性變形。而中震作用效應(yīng)則需要結(jié)構(gòu)靠一定的塑性變形能力(即延性) 來抵抗。所以結(jié)構(gòu)延性對建筑抗震是極其重要的。 
    2、地震力降低系數(shù)的大小決定了設(shè)計地震力取值的大小,從而決定了對延性要求的大小 
    由上所述,用于承載力設(shè)計的地震作用可以取到小震水平,當(dāng)更大的地震來臨的時候,則靠結(jié)構(gòu)的延性去抵抗。所以,我們并不取用設(shè)防烈度地震作用力來進行結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計,而需要把設(shè)防烈度地震力降低一個系數(shù),稱為地震力降低系數(shù)。 
    地震力降低系數(shù)取得越大,設(shè)計地震作用就取得越小;地震力降低系數(shù)取得越小,設(shè)計地震作用就取得越大。在同一個設(shè)防烈度下,地震力降低系數(shù)取得越大,地震作用就越小,那么按此小的地震作用設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)的屈服水準就越低,意味著結(jié)構(gòu)在相應(yīng)強烈程度地震下形成的非彈性變形就越大,這就要求結(jié)構(gòu)具有較大的延性來保證它較大的非彈性變形的實現(xiàn),因而對延性提出的要求就更高。這一延性等級的結(jié)構(gòu)即為較低設(shè)計地震力取值2較高延性要求的“高延性等級”結(jié)構(gòu)。地震力降低系數(shù)取得越小,地震作用就越大,那么按此大的地震作用設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)的屈服水準就越高,意味著結(jié)構(gòu)在相應(yīng)強烈程度地下形成的非彈性變形就越小,這就只需要要求結(jié)構(gòu)具有較小的延性來保證它較小的非彈性變形的實現(xiàn),因而對延性提出的要求就越低。這一延性等級的結(jié)構(gòu)即為較高設(shè)計地震力取值2較低延性要求的“低延性等級”結(jié)構(gòu)。同理,在同一個設(shè)防烈度下,地震力降低系數(shù)取為中等,地震作用也為中等,因而對延性提出的要求也為中等。這一延性等級的結(jié)構(gòu)即為中等設(shè)計地震力取值2中等延性要求的“中等延性等級”結(jié)構(gòu)。這樣,地震力降低系數(shù)的大小實際上就決定了設(shè)計地震力取值的大小,從而決定了對延性要求的大小。 
    中國規(guī)范規(guī)定把設(shè)防烈度地震作用降低約3 倍來進行承載力設(shè)計,即設(shè)防烈度地震作用反應(yīng)譜除以地震承載力降低系數(shù)3 ,而得到設(shè)計所用的反應(yīng)譜。并且中國規(guī)范按設(shè)防烈度從大到小對結(jié)構(gòu)延性提出了從高到低的要求,具體是用抗震等級來表示,共分為一級、二級、三級、四級四個等級。 
    初步印象是:中國的地震力降低系數(shù)的取值偏低。這似乎說明中國的地震力取值較高,因而并不需要對結(jié)構(gòu)提出高延性要求。其實不然,在對比了中國和西方國家的設(shè)防地震作用反應(yīng)譜曲線之后,我們發(fā)現(xiàn),在中長周期范圍內(nèi),西方要比中國高,也就是說,中國在較低的反應(yīng)譜水平下降低3 倍,跟西方在較高的反應(yīng)譜水平下降低5 倍,甚至更多之后的作用水平是相差不多的,這就說明,中國對抗震結(jié)構(gòu)應(yīng)提出相當(dāng)于西方地震力降低系數(shù)等于5 ,甚至高一檔次的高延性要求。 
    3、“能力設(shè)計法”已為各國普遍接受。通過能力設(shè)計法以選擇性質(zhì)不同的主要抗側(cè)力構(gòu)件,在地震作用影響產(chǎn)生大變形的情況下,能夠形成較好的耗能機制
    為了使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震引起的動力反應(yīng)過程中表現(xiàn)出必要的延性,就必須通過能力設(shè)計法,使塑性變形更多地集中在比較容易保證良好延性性能或者具有一定延性能力的構(gòu)件上。能力設(shè)計法的具體思路有三步: 
    (1) 第一步是選擇一個可接受的塑性變形機構(gòu)。所選機構(gòu)的位移延性應(yīng)該靠塑性鉸處最小非線性轉(zhuǎn)動來達到。一旦選定了合適的塑性變形機構(gòu),就可以精確地確定能量耗散部位。能力設(shè)計法在選擇塑性變形機構(gòu)的選擇上存在兩種不同的方案:  
    一種是“梁鉸機構(gòu)”。其具體措施是人為地較大幅度增加柱端的抗彎能力,使除底層柱底以外的各柱端在較強地震作用下,原則上不進入屈服后狀態(tài),即不出現(xiàn)塑性鉸。由于柱端原則上不進入屈服,曲率較小,因此對除底層柱底的其它各層柱端不必提出嚴格的軸壓比控制條件,即不必一定要把柱端的受力狀態(tài)控制在離大、小偏心受壓界限狀態(tài)尚有一定距離的延性較好的大偏心受壓狀態(tài)。這種機構(gòu)主要靠梁端出鉸來耗散地震能量。 
    另一種是“梁柱鉸機構(gòu)”。其具體措施是只在一定程度上人為增大柱的抗彎能力,因此,從總體上說,柱端雖然與梁端相比相對較強,但在較強和很強地震作用下,柱端仍有可能進入屈服,只不過梁端出現(xiàn)塑性鉸的機會較多、較早,塑性轉(zhuǎn)動較大;柱端塑性鉸則出現(xiàn)相對較遲,塑性轉(zhuǎn)動相對較小。只要對柱的軸壓比控制較嚴,使柱端不出現(xiàn)小偏心受壓和離大、小偏壓分界狀態(tài)過近的大偏心受壓情況,再通過加強對柱端塑性鉸區(qū)的約束,就可以使柱端具有所需的、不十分苛刻的塑性轉(zhuǎn)動能力(延性能力) 且不致壓潰。這種機構(gòu)主要靠梁柱共同出鉸來耗散地震能量。 
    對比以上兩種方案,前者實際上是提高了柱的強度,加強了柱的彈性變形能力。在實際配筋當(dāng)中,縱筋用量相對較多,箍筋用量相對較少。后者實際上是提高了柱的塑性變形能力,在實際配筋當(dāng)中,縱筋用量相對較少,箍筋用量相對較多。 
    中國規(guī)范選擇了第二個方案,即“梁柱鉸機構(gòu)”。這即是我們通常所說的“強柱弱梁”。為了實現(xiàn)能力設(shè)計方法中的強柱弱梁機構(gòu),我們通常的做法是對柱截面的組合彎矩乘以增大系數(shù);也可以對由梁端實際配筋反算出梁端可抵抗彎矩,即實配彎矩乘以增大系數(shù)的方法來實現(xiàn),并用增大后的彎矩值進行柱端控制截面的承載力設(shè)計。 
    (2) 第二步是要通過人為增大各類構(gòu)件的抗剪能力,使其不致在強烈地震作用下,在結(jié)構(gòu)延性未發(fā)揮出來之前出現(xiàn)非延性的剪切破壞。這即是我們通常所說的強剪弱彎。通常的做法是用剪力增大系數(shù)增大梁端、柱端、剪力墻端、剪力墻洞口連梁端以及梁柱節(jié)點處的組合剪力值,并用增大后的剪力設(shè)計值進行受剪控制截面控制條件,進行驗算和設(shè)計。具體措施也有兩類。 
    一類是直接對一跨梁兩端截面的順時針或反時針方向的組合彎矩值乘以增大系數(shù),再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關(guān)系中求得梁端剪力。 
    另一類是沿順時針或反時針方向求得一跨梁兩端截面按實際配筋能夠抵抗的彎矩,對其乘以增大系數(shù),再與梁上作用的豎向重力荷載代表值一起從平衡關(guān)系中求得梁端剪力。 
    (3) 第三步是通過相應(yīng)的構(gòu)造措施,保證可能出現(xiàn)塑性鉸的部位具有所需的塑性轉(zhuǎn)動能力和塑性耗能能力。通常通過箍筋加密,限制軸壓比等措施來給予保證。 
    上述三個步驟所采取的措施是相互關(guān)聯(lián)的。第二步措施是第一步措施實現(xiàn)的前提和保障;因為只有塑性鉸區(qū)不致先期發(fā)生剪切失效,才能夠有梁柱塑性鉸區(qū)的塑性轉(zhuǎn)動。第一步措施要求較嚴,則第三步則可相對較弱。反之,第一步的措施較松,則對第三步的要求就較嚴格。因為如果柱彎矩增強系數(shù)很大,大到能保證除底層以外的其它柱端都不出現(xiàn)塑性鉸,則并不需要對軸壓比和約束箍筋提出嚴格的限制,即并不需要使柱處于延性較好的大偏壓狀態(tài)和使柱具有很強的轉(zhuǎn)動能力。這即是形成梁鉸機構(gòu)。而如果控制柱的彎矩增強系數(shù),使梁端出鉸較柱端出鉸較早、較多、轉(zhuǎn)動較大,柱端出鉸則相對較遲、較少、轉(zhuǎn)動較小。這即是“梁柱鉸機構(gòu)”。此時,就需要對柱軸壓比提出一定的限制,使柱端的受力狀態(tài)處于大偏壓,同時,加強對塑性鉸區(qū)箍筋的約束,以提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力,這樣就提高了柱端的延性能力,使之在所需要的塑性轉(zhuǎn)動下不至于被壓壞。所以,柱的彎矩增大系數(shù)越大,對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越低;彎矩增大系數(shù)越小,對軸壓比的限制和箍筋的約束要求就越高。
    4、幾種基本抗震體系的性能 
    (1) 框架結(jié)構(gòu)體系:按上述的能力設(shè)計思路,通過合理設(shè)計,可以把框架結(jié)構(gòu)做成延性框架。延性框架在大震作用下,通過先出現(xiàn)梁鉸、后出現(xiàn)柱鉸這樣一種耗能機構(gòu)耗散大量的地震能量,結(jié)構(gòu)能夠承受一定的側(cè)向變形。所以純框架結(jié)構(gòu)是一種抗震性能很好的結(jié)構(gòu)。但是我們同時也看到由于純框架的抗側(cè)剛度較小,造成的側(cè)移值比較大,因此建造高度不宜太高。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件比如填充墻在地震作用下,也可能出現(xiàn)裂縫和破壞�？蚣芎吞畛鋲χ�間的硬性聯(lián)結(jié)造成的剛度增大效應(yīng)也可能造成設(shè)計上未考慮到的增大的側(cè)向力。倘若是半高的填充墻,還會導(dǎo)致形成短柱,剛度增大,承受很大的剪力,造成柱子的剪切破壞。 
    (2) 剪力墻結(jié)構(gòu)體系:剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力及剛度都很大,側(cè)移變形小,因此它的使用范圍可以比純框架結(jié)構(gòu)更高。適用于框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線形抗震性能的原理總體上也可以用于剪力墻,也可以把剪力墻設(shè)計成為延性剪力墻,也可以以穩(wěn)定的方式來耗散地震能量。但是,剪力墻中不論是墻肢還是連梁,它的截面的特點是短而高,這類構(gòu)件對剪切變形相當(dāng)敏感,容易出現(xiàn)裂縫,容易出現(xiàn)脆性的剪切破壞。因此需進行精心合理的設(shè)計,才能夠使剪力墻具有良好的抗震性能和良好的延性能力。剪力墻的破壞形態(tài)與其剪跨比有很大關(guān)系,對剪跨比很小的矮墻,以剪切破壞形態(tài)為主,塑性變形能力很差,所以在抗震結(jié)構(gòu)中應(yīng)避免采用矮墻。對于懸臂墻的能量耗散,主要是通過墻底出鉸來進行的。而對于聯(lián)肢墻,經(jīng)過合理地設(shè)計開洞位置,使它的能量耗散機理與具有強柱弱梁的梁鉸機構(gòu)相似,形成強墻弱梁,即連梁梁端出鉸,墻底出鉸,而墻體的其它地方,均不出現(xiàn)塑性鉸。否則,倘若連梁強于墻肢,則會出現(xiàn)與柱鉸機構(gòu)一樣的層變形機構(gòu)。對于較長的懸臂墻,通常通過人為開洞使之變成聯(lián)肢墻,因為懸臂墻作為靜定結(jié)構(gòu),一旦有一個截面破壞失效,就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效和倒塌,而聯(lián)肢墻則可設(shè)計成強墻弱梁,出鉸數(shù)目較多,耗能較大。同框架設(shè)計的強剪弱彎一樣,連梁及墻肢也需要通過“強剪弱彎”來提高其抗剪承載能力,推遲剪切破壞,從而改善其延性。但是受其自身截面特點的影響,構(gòu)件仍不能保證不發(fā)生剪切破壞,特別是連梁,一般情況下的普通配筋連梁很難實現(xiàn)高延性,設(shè)計時,必須專門采取措施改變其性能。 
    (3) 框架2剪力墻結(jié)構(gòu)體系:是把框架和剪力墻結(jié)合在一起共同抵抗豎向和水平荷載的一種體系,它利用剪力墻的高抗側(cè)力剛度和承載力,彌補框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度差,變形較大的弱點。由于剪力墻與框架協(xié)同工作,改善了純框架和純剪力墻的變形性能,總變形減小,層間變形減小,而且上下趨于均勻,框架上下各層柱的受力也比較均勻。另外,在地震作用下,剪力墻承擔(dān)了大部分剪力,框架只承擔(dān)很小的一部分剪力,通常都是剪力墻先屈服,剪力墻屈服后將產(chǎn)生內(nèi)力重分配,框架分配的剪力將會增大,如果地震作用繼續(xù)增大,框架結(jié)構(gòu)也會屈服,使之形成曲線分布吻合最好。 
    從辦公樓非線性地震反應(yīng)時程分析以及三種側(cè)向力分布模式下的靜力彈塑性分析的最后塑性鉸分布圖可以看出,辦公樓滿足強柱弱梁的抗震要求。時程分析( EL2CENTRO 地震波輸入下) 以及三種側(cè)向力分布模式下的靜力彈塑性分析所得出的最大層間位移角分別為:1/70,1/143,1/117,1/118,均小于規(guī)范給出的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)彈塑性位移角限值[θp ] =1/50,因此,該辦公樓滿足罕遇地震作用下的變形要求。 
    5、結(jié)論 
    (1) 與常規(guī)結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法相比,考慮土2結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法有其特殊性,結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析中的側(cè)向力分布模式、目標位移的確定方法需重新確定。 
    (2) 對比較規(guī)則的高層框架結(jié)構(gòu)進行考慮土2結(jié)構(gòu)相互作用非線性抗震分析,既可以采用非線性地震反應(yīng)時程分析法,也可以采用靜力彈塑性分析方法,兩種方法都能對結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估。 
    (3) 對高層建筑結(jié)構(gòu)進行考慮土2結(jié)構(gòu)相互作用靜力彈塑性分析時,考慮到高階振型影響,側(cè)向力分布模式最好選用曲線分布模式。