浅议现代建筑中钢筋混凝土结构的抗震设计

　　摘要：钢筋混凝土结构以其优越的综合性能在城市建设中得到了广泛的应用。在我国，大部分的多高层房屋建筑是用钢筋混凝土结构建造的。我国又是多地震国家。因此，掌握多高层钢筋混凝土结构的抗震设计方法，显然是十分重要的。
　　关键词：建筑结构,钢筋混凝土,抗震设计
　　1、前言
　　随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一系列的变化。最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1倍自重）用于结构设计。到了60年代，随着地面运动记录的不断丰富，人们通过单自由度体系的弹性反应谱，第一次从宏观上看到地震对弹性结构引起的反应随结构周期和阻尼比变化的总体趋势，揭示了结构在地震地面运动的随机激励下的强迫振动动力特征。但同时也发现一个无法解释的矛盾，当时规范所取的设计用地面运动加速度明显小于按弹性反应谱得出的作用于结构上的地面运动加速度，这些结构大多数却并未出现严重损坏和倒塌。后来随着对结构非线性性能的不断研究，人们发现设计结构时取的地震作用只是赋予结构一个基本屈服承载力，当发生更大地震时，结构将在一系列控制部位进入屈服后非弹性变形状态，并靠其屈服后的非弹性变形能力来经受地震作用。由此，也逐渐形成了使结构在一定水平的地震作用下进入屈服，并达到足够的屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。
　　由以上可以看出，结构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。
　　2、钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有：
　　2．1
　　结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的（静）承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应。地震时结构上作用的“荷载”是结构反应加速度和质量引起的惯性力，它不像静荷载那样具有确定的数值。变形较大，延性好的结构，能够耗散更多的地震能量，地震的反应就减小，“荷载”小，町能损伤轻而更为安全。相反，静承载力大的结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严重的破坏。
　　2．2
　　屈服后的工作阶段——当发生的地震达到或超出设防烈度时，按照我国现行规范的设计原则和方法，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的损伤。构件和节点受力较大处普遍出现裂缝，有些宽度较大；部分受拉钢筋屈服，有残余变形；构件表面局部破损剥落等。但结构不致倒塌。
　　2．3
　　“荷载”低周的反复作用——地震时结构在水平方向的往复振动，使结构的内力（主要是弯矩和剪力，有时也有轴力）发生正负交变。由于地震的时间不长且结构具有阻尼，荷载交变的反复次数不多（即低周）。所以，必须研究钢筋混凝土构件在低周交变荷载作用下的滞回特征。
　　3、保证结构延性能力的抗震措施
　　合理选择了结构的屈服水准和延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：
　　3．1
　　“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。
　　3．2
　　“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。
　　3．3
　　抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。
　　延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终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。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。如受拉钢筋配筋率越大，混凝土受压区高度就越大，延性越差；受压钢筋越多，混凝土受压区高度越小，延性越好；混凝土强度越高，受压区高度越低，延性越好（但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性）；对柱子这类偏压构件，轴压力的存在会增大混凝土受压区高度，减小延性；箍筋可以提高混凝土极限压应变，从而提高延性，但对于高强度混凝土，受压时，其横向变形系数较一般混凝土明显偏小，箍筋的约束作用不能充分发挥，所以对于高强度混凝土，不适于用加箍筋的方法来改善其延性。此外，箍筋还有约束纵向钢筋，避免其发生局部压屈失稳，提高构件抗剪能力的作用，因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用。根据以上规律，在抗震设计中为保证结构的延性，常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。
　　4、延性在抗震设计中的重要性及其作用
　　在我国现在的多高层建筑中，钢筋混凝土结构应用最为普遍，其中钢筋混凝土框架结构是最常用的结构形式。因为其具有足够的强度、良好的延性和较强的整体性，目前广泛用于地震设防地区。钢筋混凝土框架结构具有良好的抗震性能，然而未经合理设计的框架结构会在地震作用下产生较严重的震害。结构抗震的本质就是延性，延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。是钢筋砼受弯构件的M—Δ（Φ）曲线，Δy是屈服变形，Δu是极限变形。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力。延性结构通过塑性铰区域的变形，能够有效地吸收和耗散地震能量；同时，这种变形降低了结构的刚度，致使结构在地震作用下的反应减小，也就是使地震对结构的作用力减小。当结构设计成为延性结构时，由于塑性变形可以耗散地震能量，结构变形虽然会加大，但结构承受的地震作用不会很快上升，内力也不会再加大，因此具有延性的结构可降低对结构的承载力要求，也可以说，延性结构是用它的变形能力来抵抗罕遇地震作用；反之，如果结构的延性不好，则必须有足够大的承载力抵抗地震。后者会多用材料，对于地震发生概率极少的抗震结构，延性结构是一种经济的设计对策。此外，延性可以使超静定结构的内力得以充分重分布，采用塑性内力重分布方法设计时，同样也可以节约钢筋用量，取得较好的经济效果。因此可以说结构的延性和结构的强度是同等重要的。延性好的结构的破坏我们称之为塑性破坏，延性差的结构的破坏我们称之为脆性破坏，塑性破坏能提前给人以预兆，是符合结构设计理论的。
　　5、结语
　　目前，世界各国的抗震规范几乎都采用这样一种思路：采用按可能遭遇的地震强弱划分地震分区；根据各地区的历史发生地震的统计结果或对地质构造的历史考察给出具有明确统计含义的设防水准地面运动峰值加速度；再利用加速度反应谱给出不同周期下结构的反应加速度；通过地震力调整系数R得到设计用加速度水准。同时，多数国家都认同这样的观点，设防烈度水准可以取用不同的值，选用越高的设防烈度水准，结构的延性要求也就越低，选用越低的设防烈度水准，结构的延性要求就越高。结构延性保障的先决条件是构件的延性，在采用一系列措施保障构件延性的基础上，再通过有效合理的连接，同时结构体系选择合理，刚度分布合理的条件下就能基本保证结构的延性。
　　
　　参考文献
　　1．《钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计》，中国建筑工业出版社，1999。
　　2．中华人民共和国国家标准，《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》，中国建筑工业出版社，2001年。