1現代抗震設計的思想與關系
在現行抗震理論下形成的現代抗震設計思想主要有:
1.1合理選擇地震作用,確定結構的屈服水平。壹般取壹個有統計意義的地震動峰值加速度作為該地區地震強度的符號值(即中震),然後用不同的R(地震力折減系數)得到不同的設計地震動加速度(即小震)來設計結構的強度,從而確定結構的屈服水平。
1.2應采取有效的抗震措施,確保結構具有與設計采用的R對應的延性。主要包括內力調整措施(強柱弱梁,強剪弱彎)和抗震構造措施。
現代抗震設計理念是基於對結構非彈性性能的研究,其核心是關系,主要是指不同滯回規律和地震動特性下,結構的屈服水平、自振周期和最大非彈性動力反應之間的關系。其中r為彈塑性反應的地震力折減系數,簡稱地震力折減系數;μ是最大非彈性反應位移與屈服位移的比值,稱為位移延性系數。
隨著對地震作用規律認識的深入,這壹規律已被國家規範所接受。在抗震設計中,對於同壹烈度區的同類型結構,可根據情況采用不同的R,即不同的地震作用用於強度設計。當r值較大,即用於設計的地震作用較小時,結構的延性要求較嚴;反之,當R值較小時,即用於設計的地震作用較大時,可放寬結構的延性要求。
2保證結構延性的抗震措施
在合理選擇結構的屈服水平和延性要求後,需要通過抗震措施保證結構真正具有所需的延性能力,以保證結構在中、大震下達到抗震設防目標。系統的抗震措施包括以下幾個方面:
2.1“強柱弱梁”:人為增加柱相對於梁的抗彎能力,使梁端塑性鉸在強震下出現較早,達到最大非線性位移時塑性轉動較大;而柱端塑性鉸出現較晚,達到最大非線性位移時塑性轉動較小,甚至根本沒有出現塑性鉸。從而保證框架具有相對穩定的塑性耗能機制和較大的塑性耗能能力。
2.2“強剪弱彎”:剪切破壞基本不具有延性。壹旦某壹部位發生剪切破壞,該部位將完全退出結構的抗震能力,柱端的剪切破壞也可能導致結構的局部或整體倒塌。因此,可以人為增加柱端、梁端和節點的組合剪力,使結構的任何構件在強震下的交替非彈性變形中不會首先剪切破壞。
2.3抗震構造措施:通過抗震構造措施,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,同時保證結構的整體性。
這種體系的抗震措施概念已被世界各國所接受,但對於耗能機構卻有兩種不同的想法,分別以新西蘭和美國為代表。首先,這兩種思路都是建立在優先引導梁端塑性鉸的前提下。
不受塑性力學中機制概念的限制,只要在大地震下能實現以下塑性耗能機制,就能保證抗震設計的基本要求:①梁端塑性鉸耗能是主要因素;(2)柱端(包括底柱底部)塑性鉸的出現不受限制,但通過適當增強其抗彎能力,柱端在強震下的塑性轉動從其塑性轉動能力上有足夠的裕度;③同壹樓層各柱的上下兩端在不同時間處於塑性變形狀態。
我國抗震措施中對耗能機制的考慮也基本遵循這壹思路,采用“梁柱塑性鉸機制”模型,放棄新西蘭基於塑性力學的“理想梁鉸機制”模型。
在抗震設計中,為了避免出現無延性的剪切破壞,我們采用“強剪弱彎”的措施來處理構件抗彎承載力與抗剪承載力的關系。值得註意的是,與非地震剪切破壞相比,地震作用下的剪切破壞是不同的。
延性是抗震的壹個極其重要的特性。如果要通過抗震措施來保證結構的延性,那麽就必須明確影響延性的因素。對於梁、柱等構件,延性的影響因素最終可以歸結為最根本的兩點:混凝土的極限壓應變和破壞時受壓區的高度。影響延性的其他因素實質上是這兩個基本因素的延伸。在抗震設計中為了保證結構的延性,往往采取以下措施:控制受拉鋼筋的配筋率,保證壹定數量的受壓鋼筋,通過增加箍筋保證縱向鋼筋不發生屈曲和局部屈曲,約束受壓混凝土,限制柱的軸壓比。
3.中國抗震設計理念的壹些不足
在借鑒世界其他國家抗震研究成果的基礎上,中國逐漸形成了自己的壹套先進的抗震設計思想。其中大部分符合現代抗震設計理念,但也有許多不足之處,需要在今後加以改進。
最值得註意的是,與國外規範相比,中國抗震規範對相互關系的認識還有壹定差距。歐洲和新西蘭規範根據地震作用折減系數(“中震”地震動加速度與“小震”地震動加速度之比)對延性水平進行分類。“小震”值越高,延性要求越低,“小震”值越低,延性要求越高。美國UBC規範根據相同的原則對延性等級進行分類,但建議在高強度區域使用高延性等級,在低強度區域使用低延性等級。這些抗震思路都是符合法律的。目前我國地震作用折減系數取為2.81,用於結構截面承載力設計和變形驗算的小震被賦予了固定的統計意義。對延性的要求不是基於R-μ關系,而是基於抗震等級,而抗震等級的本質主要是由烈度區劃決定的。這就導致相同的R對應不同的μ,從而做出不同的抗震措施,與R-μ關系不符。這種想法導致的結果是,低強度區的結構延性要求可能較低。
4種常用的地震分析方法
隨著抗震理論的發展,各種抗震分析方法不斷出現在研究和設計領域。在結構設計中,我們需要確定用於內力組合和截面設計的地震作用值。結構抗震性能分析是抗震研究的重要內容。非線性時程分析和非線性靜力分析是目前常用的幾種抗震分析方法。它們的基本原理和步驟是:首先,用某種方法求得結構在可能地震作用下的目標位移;然後,在對結構施加豎向荷載的同時,以單調遞增的形式對結構施加壹組代表地震作用的水平靜荷載,當達到目標位移時停止增加荷載;最後,對結構在荷載懸掛狀態下的抗震性能進行評估,以確定結構在水平地震作用下能否滿足功能要求。
自現代抗震設計思想提出以來,世界各國的抗震學術界和工程界取得了許多新的成果,如大量的鋼筋混凝土構件抗震性能試驗;隨著計算機技術的飛速發展,編制了更加精確的非線性動力響應程序。在設計方法上,我們不再拘泥於傳統的基於力的抗震設計方法,而是開始嘗試壹種新的基於性能和位移的抗震設計理念。在這樣的環境下,中國的抗震設計思路也應該在改進自身不足的同時不斷發展。
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