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

　　摘要：通常，經(jīng)濟(jì)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)著眼于提供適當(dāng)?shù)膭?dòng)力特性及結(jié)構(gòu)特性，使得設(shè)計(jì)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(gè)人的多年工作經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料探討抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：地震,抗震,延性設(shè)計(jì),方案

　　1前言

　　在地震作用下，結(jié)構(gòu)在真正失效前，有一個(gè)較大的塑性變形能力（結(jié)構(gòu)延性），即結(jié)構(gòu)在一個(gè)較小的地震下可能達(dá)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(jìn)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(jìn)入彈塑性變形的部位增多，先進(jìn)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(zhǎng)獨(dú)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(gè)主要構(gòu)件的剛度和整體性。在這些實(shí)例中，主要構(gòu)件不允許屈服，設(shè)計(jì)應(yīng)在彈性反應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。然而，對(duì)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(jì)的做法是，允許一些臨界應(yīng)力構(gòu)件在中-強(qiáng)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(jìn)行設(shè)計(jì)。分析和經(jīng)驗(yàn)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(jì)成能安全地經(jīng)受強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)。由于允許按此降低力的水平設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)，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(qiáng)度（或者屈服強(qiáng)度）小于為保證線彈性反應(yīng)所需的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)使其有充分的延性。

　　2延性與屈服強(qiáng)度

　　對(duì)相同的初始基本周期T1一般觀測(cè)結(jié)果說明，在給定的地震強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)周期的條件下，延性需求隨結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或者屈服水平的降低而提高。故一般水平或強(qiáng)度的增加而減少，為闡明此觀點(diǎn)，考慮兩個(gè)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(duì)延性需求的影響

　　其中，兩個(gè)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(yùn)動(dòng)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(dòng)很大程度上決定了基礎(chǔ)上部各點(diǎn)的位移，對(duì)于墻水平或強(qiáng)度的增加而減少底部成鉸區(qū)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣可以觀測(cè)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(dòng)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(dú)立結(jié)構(gòu)墻的動(dòng)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(qiáng)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(dú)立結(jié)構(gòu)墻基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dú)立結(jié)構(gòu)墻模型在地震運(yùn)動(dòng)作用下的動(dòng)力非線性分析取得的，共輸入6個(gè)不同頻率特性的地震波，每次持續(xù)10秒，強(qiáng)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(zhǎng)而降低。上述強(qiáng)度或屈服水平與延性間的關(guān)系，是規(guī)范條款對(duì)延性較低的材料或者體系提出更高的強(qiáng)度要求（通過指定更大的設(shè)計(jì)水平荷載）的基礎(chǔ)。

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

　　3懸臂墻最近研究結(jié)果

　　在最近一項(xiàng)由Priestley和Kowalsky所作的關(guān)于獨(dú)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(huì)造成重大錯(cuò)誤。事實(shí)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(zhǎng)度的函數(shù)。當(dāng)截面強(qiáng)度隨抗彎鋼筋的數(shù)量或軸向荷載等級(jí)的變化而變化時(shí)，墻的強(qiáng)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(zhǎng)成反比，所以結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)度不同的墻體不能設(shè)計(jì)成同時(shí)屈服。另外，設(shè)計(jì)的墻應(yīng)與其長(zhǎng)度的平方L2成比例，而非當(dāng)前設(shè)計(jì)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(jì)方案

　　對(duì)于“設(shè)計(jì)地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以一方面設(shè)計(jì)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(jì)地震力的結(jié)構(gòu)增長(zhǎng)越多，結(jié)構(gòu)受到的總地震力降低也越多。這就使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)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(gè)小于設(shè)防烈度地震反應(yīng)水準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)中取用的地震作用。反過來講，若采用的設(shè)計(jì)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(dá)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(guó)）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(jì)加速度，相當(dāng)于賦予結(jié)構(gòu)一個(gè)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(shí)現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。因而，采用低設(shè)計(jì)地震力的關(guān)鍵在于保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在大震下達(dá)到所需的延性。對(duì)于地震力降低系數(shù)R或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q，各國(guó)設(shè)計(jì)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(jì)所用的地震作用的比值。R或q越大，則要求結(jié)構(gòu)達(dá)到的延性能力越大，R或q越小，則結(jié)構(gòu)需要達(dá)到的延性能力越小。這樣均能實(shí)現(xiàn)“大震不倒”。

　　國(guó)外一般有如下三種設(shè)計(jì)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(shí)際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟(jì)性來看，都能達(dá)到設(shè)防目標(biāo)。我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進(jìn)行組合，進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，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(jī)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(shí)現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。當(dāng)然，我們還要看到一點(diǎn)，雖然這三個(gè)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。