房屋抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計論文發(fā)表期刊推薦國家級期刊《中國住宅設(shè)施》，《中國住宅設(shè)施》由中國房地產(chǎn)及住宅研究會主辦，建設(shè)部主管，是集經(jīng)濟、技術(shù)、信息于一體，深入、生動、及時、全面的反映住宅設(shè)施市場動態(tài)及國內(nèi)外住宅設(shè) 施發(fā)展?fàn)顩r，面向國內(nèi)外公開發(fā)行的國家級建設(shè)綜合信息類優(yōu)秀期刊。國際刊號ISSN1672-5093，國內(nèi)刊號CN11-5143/TU，郵發(fā)代號 82-276。

　　摘要：通常，經(jīng)濟的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)著眼于提供適當(dāng)?shù)膭恿μ匦约敖Y(jié)構(gòu)特性，使得設(shè)計地震下的反應(yīng)水平是可接受的。不同的結(jié)構(gòu)類型或者功能，其最大可接受的變形值也不同。本文通過個人的多年工作經(jīng)驗及相關(guān)資料探討抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞：地震,抗震,延性設(shè)計,方案

　　1前言

　　在地震作用下，結(jié)構(gòu)在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結(jié)構(gòu)延性），即結(jié)構(gòu)在一個較小的地震下可能達到或者接近屈服狀態(tài)；而在較大的地震下，結(jié)構(gòu)的若干部位將陸續(xù)進入屈服后的非彈性變形狀態(tài)，并且隨著地震力的增大，結(jié)構(gòu)中進入彈塑性變形的部位增多，先進入屈服的部位彈塑性變形也增大。結(jié)構(gòu)通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉(zhuǎn)換成熱能。

　　在某些結(jié)構(gòu)中，如細(xì)長獨立的塔樓、煙囪，或者由居中布置的核心筒和由此往外懸挑樓板組成的懸挑式建筑，這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，取決于組成此結(jié)構(gòu)的單個主要構(gòu)件的剛度和整體性。在這些實例中，主要構(gòu)件不允許屈服，設(shè)計應(yīng)在彈性反應(yīng)的基礎(chǔ)上進行。然而，對于大部分建筑物，特別是那些由剛性連接框架構(gòu)件及其他多次超靜定結(jié)構(gòu)組成的建筑物，比較經(jīng)濟的做法是，允許一些臨界應(yīng)力構(gòu)件在中-強震下發(fā)生屈服。就是說建筑物應(yīng)按比保證線性彈性反應(yīng)要求明顯低的的力進行設(shè)計。分析和經(jīng)驗表明，擁有足夠結(jié)構(gòu)冗余度的結(jié)構(gòu)，即使允許某些構(gòu)件發(fā)生屈服，仍可以設(shè)計成能安全地經(jīng)受強烈的地面運動。由于允許按此降低力的水平設(shè)計的結(jié)構(gòu)在強震下發(fā)生非彈性變形，于是提出了附加要求，即需要保證屈服構(gòu)件能夠在不明顯降低強度的同時，承受足夠的非彈性變形。就是說，它們必須擁有足夠的延性。這樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)的強度（或者屈服強度）小于為保證線彈性反應(yīng)所需的強度時，應(yīng)使其有充分的延性。

　　2延性與屈服強度

　　對相同的初始基本周期T1一般觀測結(jié)果說明，在給定的地震強度和結(jié)構(gòu)周期的條件下，延性需求隨結(jié)構(gòu)的強度或者屈服水平的降低而提高。故一般水平或強度的增加而減少，為闡明此觀點，考慮兩個初始基本周期相同的垂直懸臂墻。這表示在相同質(zhì)量及質(zhì)量分布下其剛度屬性相同，如圖10-2所示（橫坐標(biāo)：轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)：屈服水平）。

　　圖10-2延性比需求隨結(jié)構(gòu)的屈服圖10-3屈服水平對延性需求的影響

　　其中，兩個結(jié)構(gòu)的理想力-變形曲線分別標(biāo)記為（1）和（2）分析表明，在相同的輸入運動作用下，具有相同基本周期及適當(dāng)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)，其最大水平位移大致相同。這種現(xiàn)象很大程度上是歸咎于局部加速度的減小，伴隨著因結(jié)構(gòu)臨界應(yīng)力部分的屈服使剛度減小，所以位移變小。由于在垂直懸臂中，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動很大程度上決定了基礎(chǔ)上部各點的位移，對于墻水平或強度的增加而減少底部成鉸區(qū)的最大轉(zhuǎn)動，同樣可以觀測到大致相等的最大水平位移。可以從圖10-3（(a)圖：橫坐標(biāo)：水平位移；縱坐標(biāo)：樓層；中上：彈性。(b)圖：橫坐標(biāo)：轉(zhuǎn)動延性；縱坐標(biāo)：樓層）看到，該圖表示具有同樣基本周期（T1=1.4秒），但不同屈服水平My獨立結(jié)構(gòu)墻的動力分析結(jié)果。該結(jié)構(gòu)是在1940年ElCentro地震波前10秒東西向分量作用下，其強度為該地震波規(guī)定的南北向分量的1.5倍。如圖10-3a所示，除了結(jié)構(gòu)屈服水平很低的情況外，不同結(jié)構(gòu)的最大位移基本相同。圖10-3表示其相應(yīng)的延性要求，用最大位移角θmax與第一次屈服位移角θy之比表示。圖中清楚地顯示了延性需求隨屈服水平的降低而增加。圖（10-4）為獨立結(jié)構(gòu)墻基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動延性需求與撓曲屈服水平及初始基本周期的關(guān)系曲線。圖中結(jié)果是由20層獨立結(jié)構(gòu)墻模型在地震運動作用下的動力非線性分析取得的，共輸入6個不同頻率特性的地震波，每次持續(xù)10秒，強度為1940年ElCentro記錄地震波規(guī)定的南北向分量的1.5倍。同樣表明，延性需求隨著屈服水平降低而增加；同樣，延性需求隨著結(jié)構(gòu)基本周期增長而降低。上述強度或屈服水平與延性間的關(guān)系，是規(guī)范條款對延性較低的材料或者體系提出更高的強度要求（通過指定更大的設(shè)計水平荷載）的基礎(chǔ)。

　　圖10-4轉(zhuǎn)動延性的需求圖10-5轉(zhuǎn)動延性與作為度量非線性變形的最大絕對轉(zhuǎn)動的關(guān)系圖

　　3懸臂墻最近研究結(jié)果

　　在最近一項由Priestley和Kowalsky所作的關(guān)于獨立懸臂墻的研究中表明，屈服曲率與屈服力矩沒有直接的比例關(guān)系；這與圖10-2所示大不相同，在他們看來會造成重大錯誤。事實上，他們已經(jīng)證明，在給定的鋼材屈服應(yīng)力下，屈服曲率僅僅是的墻長度的函數(shù)。當(dāng)截面強度隨抗彎鋼筋的數(shù)量或軸向荷載等級的變化而變化時，墻的強度和剛度也成比例地變化。這意味著不是截面剛度，而是屈服曲率應(yīng)作為基本的截面特性。由于墻的屈服曲率同墻長成反比，所以結(jié)構(gòu)中長度不同的墻體不能設(shè)計成同時屈服。另外，設(shè)計的墻應(yīng)與其長度的平方L2成比例，而非當(dāng)前設(shè)計假定的L3。

　　應(yīng)注意的是，以上發(fā)現(xiàn)只適用于懸臂墻。

　　4延性設(shè)計方案

　　對于“設(shè)計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以一方面設(shè)計低地震力的結(jié)構(gòu)，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結(jié)構(gòu)非彈性變形越大，剛度降低越嚴(yán)重，阻尼增大，周期增高，設(shè)計地震力的結(jié)構(gòu)增長越多，結(jié)構(gòu)受到的總地震力降低也越多。這就使得我們在設(shè)計過程中，在不降低構(gòu)件豎向承載力保證結(jié)構(gòu)延性的前提下，可以取用一個小于設(shè)防烈度地震反應(yīng)水準(zhǔn)作為設(shè)計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設(shè)計地震力越低，結(jié)構(gòu)屈服部位在屈服后水平和豎向承載力不降低的前提下需要達到的非彈性變形就越大，也就需要結(jié)構(gòu)有更好的延性性能。

　　將設(shè)防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結(jié)構(gòu)設(shè)計加速度，相當(dāng)于賦予結(jié)構(gòu)一個較小的屈服承載力，結(jié)構(gòu)在豎向承載力不降低的情況下，通過屈服后的非彈性變形來經(jīng)受更大的地震，實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。因而，采用低設(shè)計地震力的關(guān)鍵在于保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在大震下達到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q，各國設(shè)計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設(shè)防烈度地震作用與結(jié)構(gòu)截面設(shè)計所用的地震作用的比值。R或q越大，則要求結(jié)構(gòu)達到的延性能力越大，R或q越小，則結(jié)構(gòu)需要達到的延性能力越小。這樣均能實現(xiàn)“大震不倒”。

　　國外一般有如下三種設(shè)計方案：（1）較高地震力——較低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）較低地震力——較高延性方案。

　　高地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的承載力，低地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟性來看，都能達到設(shè)防目標(biāo)。我國的抗震設(shè)計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設(shè)防烈度的小震地面運動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進行組合，進行截面設(shè)計，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應(yīng)過程中形成較為有利的耗能機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良的屈服后變形能力好來實現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。當(dāng)然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結(jié)構(gòu)在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結(jié)構(gòu)的延性水平而結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)并沒有明顯提高是明顯不如方案（1）和（2）的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案（1）和（2）是優(yōu)于方案（3）的。