关于现代结构抗震设计的方法分析

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-12-12浏览：25次

　　摘要: 作者主要根据现代混凝土结构抗震设计中通常使用的抗震设计方法与特点以及有关抗震设计的中的范围作了分析，并以经实践对建筑结构的抗震设计和结构抗震中的安全为目标主要措施作了进一步的分析

　　关键词:抗震措施,混凝土结构

　　1 现代抗震设计

　　首先，通过适当措施使结构具有一定的延性，在地震作用下，发生足够的非线性变形，而维持承载力又不会下降。结构不会出现因承载力急剧下降而导致严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗散地震能量。其次，钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。在无阻尼状态下，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果出现振动过大，体系进入屈服后状态时，则体系在平衡的位置都可以将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变形会耗散掉，从而也就减小了体系总的能量。因此我们就可以想到，在地震往复的作用下，结构在振动的过程中，只要进入到屈服后状态，将通过塑性变形能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构所存在的阻尼也就会进一步耗散能量，减小地震的反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度也就会明显小于弹性的刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期也就加长，从而减小地震作用。

　　2 提高结构延性的措施

　　我国的抗震设计就是对钢筋混凝土结构提出的基本上是“高延性的要求”，也就是要求结构在较大的屈服后塑性变形状态下依旧保持其竖向荷载和抗水平力的能力，对于钢筋混凝土结构应采用能力设计法进行设计。“能力的设计法”就是在设计地震力取值偏低的情况下，结构具有足够的延性能力，通过合理设计才能使结构在地震作用下形成合理的倒塌机构，即塑性变形或塑性铰出现在比较容易保证有较大的延性能力塑性铰处; 可通过相应的措施提高塑性铰延性，从而也就实现结构在中震、大震下抗震设防的目标。

　　2. 1 强柱弱梁

　　强震下，构件产生塑性变形，可以耗散部分地震能量。“梁铰机构”或“梁柱铰机构”能够形成更多的塑性铰，从而能耗散更多的地震能量，因此，应加强柱的抗弯能力，引导结构在强震下形成更优、更合理的“梁铰机构”或“梁柱铰机构”。这种抗震措施的理念现已被建筑业接受，像耗能机构却也出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。两种思路也都承认应该优先引导梁端出现塑性铰，但是双方对柱端塑性铰出现的位置与数量有分歧。别的国家追求理想的梁铰机构，底层柱的弯矩增大系数比其他柱的弯矩增大的系数小一些，在强震下，底层柱塑性铰的出现比梁端塑性铰迟，而其余所有的柱截面在大震下是不会出现塑性铰的“梁铰机构”。在规范中规定可以选用两种方法，一种就是上面理想梁铰机构法，二种就是像美国的方法。美国的规范要求就是在强震下梁端较早的出现塑性铰，柱端塑性铰形成较迟，梁端塑性铰形成较柱端塑性铰普遍，形成“梁—柱塑性铰机构”。柱端塑性铰是可以在任何位置形成，这一点是与别的国家规范的做法是不同的。我国规范与欧洲EC8 规范也是使用与美国这样的方法。

　　3 抗震构造措施

　　经过相应构造措施确保塑性铰有所需足够的延性，即塑性转动能力和塑性耗能能力。影响延性的因素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。

　　3. 1 梁构造措施

　　对于梁而言，无论哪种耗能机构，梁端始终都是引导出现塑性铰的主要部位，所以都希望梁端的塑性变形有良好的延性和良好的塑性耗能能力。除计算上满足一定的要求外，还要通过一系列构造措施提高梁的延性: 1) 控制受拉钢筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率，最大配筋率的控制是为了使受拉钢筋屈服时的混凝土受压区压应变与梁最终破坏时的极限压应变还有一定的差距( 梁的最终破坏一般都以受压区混凝土达到极限压应变，混凝土被压碎为标志的) ; 控制最小配筋率是保证梁不会在混凝土受拉区刚开裂时钢筋就屈服甚至被拉断。2) 为了可确保梁有一定的受压钢筋。受压中的钢筋可以分担部分的剪力，减小受压区的高度，另外在大震下，梁端可能会出现正弯矩，下部钢筋也就有可能受拉。

　　3) 确保箍筋用量，用法。箍筋的作用有三个: a. 抗剪; b. 保证纵筋在受压下不会过早的局部失稳; c. 通过箍筋约束受压混凝土，提高其极限压应变及抗压强度。4) 对截面尺寸都有一定的要求。都规范规定框架梁截面的尺寸应符合下列要求: Ⅰ截面的宽度不能小于200 mm; Ⅱ截面高度和宽度的比值不可以大于4; Ⅲ净跨与截面高度的比值也不能大于4。但在施工中如果梁的宽度太小，梁的上部钢筋一般都比较多，使浇筑时就困难，所以就造成混凝土缺陷; 在震害中发生过梁侧向失稳的事例，因此提出要求高宽比为2。深梁( 跨高比小于5) 的抗弯和抗剪机理与一般的梁( 跨高比大于5 的梁) 有所不同，所以在设计中避免设计成深梁，实在不能避免，就要参照专门的设计方法和构造措施。

　　3. 2 柱的构造措施

　　柱的构造措施与梁差不多，但是柱除了能够受弯矩和剪力以外，还要承受着轴力，尤其是高层建筑，轴力也就更大了，因此柱还有对轴压比的限制，对于不同烈度结构有着不同的轴压比限值; 另外，柱端箍筋用量的控制条件用配箍特征值，考虑了箍筋强度等级和混凝土强度等级对配箍量的影响。高强度混凝土( C60 以上) 的极限压应变小一些，而且强度越高，小得越多; 另外，强度越高，混凝土破坏时脆性特征越明显，这些对于抗震来说是不利的。

　　4 常用的抗震分析方法

　　伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在设计领域。在结构设计中，通常采用底部剪力法，振型分解反应谱法，弹性时程分析方法来计算该地震作用值。其中，底部剪力法最简便，适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构，通过结构的第一振型周期来确定地震影响系数，结合结构重力荷载来确定总的地震作用，然后分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则采用振型分解反应谱法进行抗震计算，该方法根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加得到结构总的地震作用、作用效应。对于特别不规则及特别重要的结构，常常需弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。研究结构的抗震性能对于结构基于性能抗震设计极其重要，通常采用的方法为非线性时程分析法与非线性静力分析法。非线性时程分析法从建立在层模型到建立在截面多弹簧模型上的方法，再到当前正在研究发展的建立在截面纤维滞回本构关系的纤维模型法，准确程度正在不断提高。基本思路是通过适当数值方法建立和求解动力方程，从而得到结构各个时刻的反应量。由于对地震特点和结构特性具有假设性，其结果具有不确定性。因此，其主要价值是用来考察地震作用下结构的反应规律，以及对设计好的结构进行校核分析，评估其抗震性能。非线性静力分析法是近年来广泛应用的一种结构抗震能力评估的新方法。从本质上说是一种静力非线性计算方法，将反应谱引入计算过程和结果，用静力荷载描述地震作用，考虑结构的弹塑性性质。先以某种方法求得结构在地震作用下所对应的目标位移，然后在对结构施加竖向荷载的同时，将表征地震作用的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，最后再对结构进行抗震性能评估，判断结构是否可满足在水平地震作用下功能需求。

　　参考文献:

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《关于现代结构抗震设计的方法分析》

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