我國鋼筋混凝土抗震設計的基本思路和方法
1 結構設計地震力的確定
1.1 低地震力取值的可行性
到二十世紀八十年代，各國設計規(guī)范都承認這樣一個事實，就是在地震作用下，結構在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結構延性），即結構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，結構的若干部位將陸續(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，結構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。結構通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉換成熱能。
對于“設計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以從地震力和結構相互關系上進行理解：一方面設計地震力低的結構，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結構非彈性變形越大，剛度降低越嚴重，阻尼增大，周期比高設計地震力的結構增長越多，結構受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設計過程中，在不降低構件豎向承載力保證結構延性的前提下，可以取用一個小于設防烈度地震反應水準作為設計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設計地震力越低，結構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，也就需要結構有更好的延性性能。
這樣，我們就需要解決如下兩個問題：
A． 如何在設防烈度地震作用與設計地震力取值之間建立恰當?shù)穆?lián)系；
B． 如何在設計地震力與所要求的結構延性建立對應關系。
對于問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學者認為，將設防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結構性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結構設計加速度，相當于賦予結構一個較小的屈服承載力，結構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。因而，采用低設計地震力的關鍵在于保證結構及構件在大震下達到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結構性能系數(shù)q，各國設計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設防烈度地震作用與結構截面設計所用的地震作用的比值。 R或q越大，則要求結構達到的延性能力越大，R或q越小，則結構需要達到的延性能力越小。這樣均能實現(xiàn)“大震不倒”。
對于問題B，國外一般有如下三種設計方案：（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構的承載力，低地震力方案主要保證結構的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟性來看，都能達到設防目標。我國的抗震設計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設防烈度的小震地面運動加速度來確定結構的設計地震作用，并將它與其他荷載內力進行組合，進行截面設計，通過鋼筋混凝土結構在屈服后的地震反應過程中形成較為有利的耗能機構，使結構主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力來實現(xiàn)“大震不倒”的目標。當然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結構在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結構的延性水平而結構的屈服水準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。
地震動以波的形式在地下及地表傳播，由于震源特點、斷層機制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機性。要想得出地震動對于不同結構有什么不同的反應，就需要在地震動特性與結構反應架起一座橋梁。由于地震動反應譜的形狀特征反應了不同類型結構動力最大反應的特點，所以各工程中一般采用地震影響系數(shù)
譜曲線作為計算地震作用的依據(jù)。
我國的
2.8。從而得到小震時結構的設計加速度，其值與重力加速度的比值即為小震時水平地震影響系數(shù)最大值。
與其他國家相比，我國的地震力降低系數(shù)R2.7~2.8，其取值與新西蘭“有限延性框架”相當（R=3）；介于歐洲共同體低延性DC“L”（R=2.5）和中延性DC“M”（R=3.75）之間；比美國的“一般框架”（R=3.5）還要略小些。單純從R的角度來看，似乎中國規(guī)范在大震下的延性需求和其他國家相比處在“中等延性結構”水平。但是中國設防烈度下水平地面運動的峰值加速度系數(shù)的取值，要比其他各個國家的低（見下表）。結構動力放大系數(shù)相差不大都在2.25附近，而且我國的譜曲線平臺段與其他國家相比很小，下降段較陡，造成反應譜的取值較其他國家的低，實質上中國R＝2.8相當于歐共體的R＝5.0左右，所以實質上，我國采用的是“較低地震力——較高延性”方案。在大震下所需要的延性需求與其他國家相比，應該屬于高延性需求。
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各國規(guī)范 |
美國UBC 1997 |
新西蘭NZS3101 |
歐洲EC8 |
中國GB50011-2001 |
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加速度系數(shù) |
0.075~0.40 |
0.21~0.42 |
0.12~0.36 |
0.05~0.40 |
1.2 地震作用計算
隨著反應譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結構上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應譜法等方法。我國規(guī)范規(guī)定：
底部剪力法適用于高度不超過40m，以剪切變形為主且質量剛度沿高度分布均勻的結構，以及近似單質點的結構。結構的總地震力由
確定，然后再沿高度按倒三角形分布分配，并考慮了地震中可能頂部地震力增大的頂點附加集中力。
振型分解反應譜法適用于當前現(xiàn)有大多數(shù)建筑結構體系。通過振型組合考慮各周期不同的振型在地震反應中的參與程度。對不進行扭轉計算的結構，先確定各振型在各質點的水平地震作用標準值，在按照公式
確定水平地震作用效應；對進行扭轉耦聯(lián)計算的結構，其樓層取兩個正交水平位移和轉角位移三個自由度，確定各振型在各樓層兩水平方向和轉角方向的地震作用標準值，按
或
確定水平地震作用效應。
規(guī)范同時還規(guī)定，對特別不規(guī)則的建筑，甲類建筑，規(guī)范表5.1.2－1所列高度范圍的高層建筑，應用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。另外一般彈性時程法分析的結果有利于判斷薄弱層部位。
對于9度地區(qū)高層建筑考慮豎向地震力，采取與底部剪力法類似的方法，只是豎向地震力的取值約為水平地震力取值的0.57倍左右。
對于長周期結構，地震作用中的地面運動加速度和位移可能對結構具有更大的影響，而振型分解反應譜法無法對此作出估計，新規(guī)范同時還增加了樓層水平地震剪力最小值的要求，見抗震規(guī)范5.2.5條。
2 結構抗震變形驗算
抗震設防三水準的要求是通過兩階段設計來保證的：多遇地震下的承載力驗算，建筑主體結構不受損，非結構構件沒有過重破壞保證建筑正常使用功能；罕遇地震作用下建筑主體結構遭遇破壞，但不倒塌。結構抗震變形驗算是兩階段設計很重要的內容。
第一階段設計，變形驗算以彈性層間位移角表示。以保證結構及非結構構件不開裂或開裂不明顯，保證結構整體抗震性能。新規(guī)范增加了變形驗算的范圍，對以彎曲變形為主的高層建筑可以扣除結構的整體彎曲變形，因為這部分位移對結構而言是無害位移，只是人的舒適度感覺不同而已，
第二階段的變形驗算為罕遇地震下薄弱層彈塑性變形驗算，以彈塑性層間位移表示。根據(jù)震害經(jīng)驗、實驗研究和計算結果分析提出了構件和節(jié)點達到極限變形時的層間極限位移角，防止結構薄弱層彈塑性變形過大引起結構倒塌。規(guī)范對驗算的范圍有明確規(guī)定，但考慮到彈塑性變形計算的復雜性和缺乏實用軟件，對不同建筑有不同要求。在以后發(fā)展中可以把驗算范圍推廣到更大，甚至可以基于位移控制法來設計結構，滿足某些類型的建筑對結構位移的特殊要求，來保證結構的位移在可接受范圍。
需要說明的是，現(xiàn)階段的位移控制和抗震設計還限于單一地震下結構的反應。如何有效考慮在地震高發(fā)區(qū)及多次地震下累積損傷對結構變形和抗震性能的影響，保證結構整個壽命期內的安全，需要進一步的研究。
3 以框架結構為例談抗震概念設計
由于建筑抗震設計的復雜性，在實際工程中抗震概念設計就顯得尤為重要。它主要包括以下內容：建筑設計應注意結構的規(guī)則性；選擇合理的建筑結構體系；抗側力結構和構件的延性設計。本文以框架為例重點介紹抗震概念設計中的能力設計法（capacity design）。
能力設計法是結構延性設計的主要內容，包括我國規(guī)范的內力調整和構造兩個方面。它是二十世紀70年代后期，新西蘭知名學者T.Paulay和Park提出的鋼筋混凝土結構在設計地震力取值偏低的情況下具有足夠延性的方法。其核心思想為：通過“強柱弱梁”引導結構形成“梁鉸機構”或者“梁柱鉸機構”；通過“強剪弱彎”避免結構在達到預計延性能力前發(fā)生剪切破壞；通過必要構造措施使可能形成塑性鉸的部位具有必要的塑性轉動能力和耗能能力。從以上三個方面保證使結構具有必要的延性?？蚣芙Y構作為常見的結構形式，當然其延性設計也主要是從這三個方面來體現(xiàn)的。
3.1 強柱弱梁
結構動力反應分析表明，結構的變形能力和破壞機制有關。常見有三種典型的耗能機構，“梁鉸機構”、“柱鉸機構”、“梁柱鉸機構”?！傲恒q機構” 和“梁柱鉸機構”的梁先屈服，可使整個框架有較大的內力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，塑性鉸數(shù)量多，不因個別塑性鉸失效而結構整體失效。因而抗震性能好，是鋼筋混凝土理想的耗能機構。我國規(guī)范采用的是允許柱子、剪力墻出鉸的梁柱鉸方案，采取相對的“強柱弱梁”措施，推遲柱子的出鉸時間。但不能完全排除出現(xiàn)薄弱層的柱鉸機構的可能性，因而需要限制柱子的軸壓比，必要時通過時程分析法判斷結構的薄弱層，防止出現(xiàn)柱鉸機構。
我們常見的“強柱弱梁”的調整措施就是要人為增大柱子的抗彎能力，誘導在梁端先出現(xiàn)塑性鉸。這是考慮到柱中實際彎矩在地震中的可能增大。在結構出現(xiàn)塑性鉸之前，結構構件因拉區(qū)混凝土開裂和壓區(qū)混凝土的非彈性性質，鋼筋與混凝土之間的粘結退化，使得各構件剛度降低。梁剛度降低較受壓的柱子相對嚴重，結構由最初的剪切型變形向剪彎形變形過渡，柱內的彎矩較梁端的彎矩比例增大；同時結構的周期加長，影響到結構各振型的參與系數(shù)的大小；地震力系數(shù)發(fā)生變化，導致部分柱子彎矩增大，由于構造原因及設計中鋼筋的人為增大，使得梁的實際屈服強度提高，從而使得梁出現(xiàn)塑性鉸時柱內彎矩增大。結構出現(xiàn)塑性鉸之后，同樣有上述原因的存在，而且結構屈服后的非彈性過程就是地震力進一步增大的過程，柱彎矩隨地震力的增大而增大。地震力引起的傾覆力矩改變了柱內的實際軸力。我們規(guī)范中的軸壓比限值一般能保證柱子在大偏壓的范圍內，軸力的減小也能導致柱子屈服能力的降低。
抗震規(guī)范規(guī)定：除框架頂層和柱軸壓比小于0.15者及框支梁與框支柱以外，柱端彎矩設計值應符合
， 
根據(jù)實配鋼筋面積及材料強度標準值確定。底層柱軸力大，塑性轉的能力差，為避免柱腳出鉸后壓潰，一、二、三級框架結構底層，柱端截面組合彎矩設計值分別乘以增大系數(shù)1.5，1.25和1.15。角柱的調整后的組合彎矩尚應乘以不小于1.10的系數(shù)。對一級抗震等級的剪力墻肢截面組合彎矩設計值進行調整，迫使塑性鉸出現(xiàn)在墻肢底部加強部位，底部加強部位及以上一層彎矩設計值取墻肢底部截面組合彎矩設計值，其它部位乘以1.2的增大系數(shù)。對部分框支抗震墻結構，一、二級框支柱的柱上端和底層柱下端，其組合彎矩設計值應分別乘以增大系數(shù)1.5和1.25。
以上“強柱弱梁”的調整措施，經(jīng)過非線性動力反應分析表明，基本滿足大震不倒地要求。在7度區(qū)，梁的鋼筋由重力荷載控制，柱的鋼筋基本由最小配筋率控制。全面增大了柱梁相對抗彎能力。同時，7度區(qū)很難出現(xiàn)正彎矩塑性鉸，對抵抗大震起到有利作用。在9度區(qū)，采用實配鋼筋面積和材料強度標準值計算柱內彎矩，構造上梁鋼筋的增大同樣導致柱內彎矩設計值的增大，在多波輸入下，梁端塑性鉸轉動大，發(fā)展較充分，柱端塑性鉸發(fā)展不充分，轉動較小。塑性變形更多集中與梁端，滿足抗震能力設計要求。對8度區(qū)，其大震位移反應同9度差不多，但柱端塑性鉸較9度多，轉動大，梁端塑性鉸出現(xiàn)充分但轉動小，因而“強柱弱梁”效果不明顯，有關專家建議8度二級抗震等級時，彎矩增大系數(shù)宜取1.35，這有待進一步的完善。
3.2 強剪弱彎
“強剪弱彎”是為了保證塑性鉸截面在達到預期非彈性變形之前不發(fā)生剪切破壞。就常見的結構而言，主要表現(xiàn)在梁端、柱端、剪力墻底部加強區(qū)、剪力墻洞口連梁端部、梁柱節(jié)點核心區(qū)。與非抗震相比，增強措施主要表現(xiàn)在提高作用剪力；調整抗剪承載力兩個方面。
3.2.1 作用剪力
一、二、三級框架梁和抗震墻中跨高比大于2.5的連梁，剪力設計值
其中，
一級取1.3，二級取1.2，三級取1.1，一級框架結構及9度尚應符合
。一、二、三級框架柱和框支柱，剪力設計值
一級取1.4，二級取1.2，三級取1.1，一級框架結構及9度尚應符合
。一、二、三級抗震墻底部加強部位，剪力設計值
一級取1.6，二級取1.4，三級取1.2， 9度尚應符合
。梁柱節(jié)點，一、二級抗震等級進行節(jié)點核心區(qū)抗震受剪承載力驗算，三四級應符合抗震構造措施，對9度設防及一級抗震等級的框架結構，考慮到梁端已出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點的剪力完全由梁端實際屈服彎矩決定，按梁端實配鋼筋面積和材料強度標準值計算，同時乘以1.15的增大系數(shù)。其它一級按梁端彎矩設計值計算，剪力增大系數(shù)為1.35，二級為1.2。
3.2.2 抗剪公式
國內外低周反復荷載作用下鋼筋混凝土連續(xù)梁及懸臂梁受剪承載力實驗表明，混凝土剪壓區(qū)剪切強度的降低、斜裂縫間骨料咬合力及縱筋暗銷力的降低是梁受剪承載力降低的主要原因。規(guī)范對混凝土的受剪承載力降為非抗震的60％，鋼筋項沒有降低。同樣，對偏壓柱受剪承載力實驗表明，反復加載使柱受剪承載力降低10％~30%，主要由混凝土項引起，采取與梁相同的作法。對剪力墻的實驗表明，其反復加載比單調加載受剪承載力降低15％~20%，采用非抗震受剪承載力乘以0.8的折減系數(shù)。梁柱節(jié)點的抗震受剪承載力由混凝土斜壓桿和水平箍筋兩部分受剪承載力組成，有關專家給出了相關公式。
為了防止梁、柱、連梁、剪力墻、節(jié)點發(fā)生斜壓破壞，我們對受剪截面規(guī)定了受剪承載力上限，即規(guī)定了配箍率的上限值。
通過非彈性動力反應分析表明，以上措施基本滿足強剪弱彎的要求。由于二級抗震等級梁柱在大震下塑性轉動仍很大，有關專家建議剪力增大系數(shù)不宜比一級相差過大，對梁取1.25較好，對柱宜取1.3~1.35。其取值的合理性有待于進一步完善。
需要說明的是，梁柱節(jié)點受力非常復雜，要保證梁柱鋼筋在節(jié)點中的可靠錨固，同時在梁柱端發(fā)生抗彎破壞前，節(jié)點不發(fā)生剪切破壞，其實質應屬于“強剪弱彎”的范疇。而且，節(jié)點僅對一、二級抗震等級的剪力進行調整，其增大系數(shù)比柱的要小，構造措施也比柱端弱些。因而，“更強節(jié)點”的說法，不值得提倡。
3.3 構造措施
構造措施是梁、柱、剪力墻塑性鉸區(qū)要達到實際需要的塑性轉動能力和耗能能力的保證。它與“強剪弱彎”、“強柱弱梁”相互關聯(lián)，一起保證結構的延性?！皬娂羧鯊潯笔潜ＷC塑性鉸轉動能力和耗能能力的前提；“強柱弱梁”的嚴格程度，影響相應的構造措施，若實行嚴格的“強柱弱梁”，保證柱子除底部外不出現(xiàn)塑性鉸，相應的軸壓比等構造措施就要松些。我國采取相對的“強柱弱梁”，延緩柱子出鉸的時間，所以需要采取較嚴的構造措施。
3.3.1 梁的構造措施
梁塑性鉸截面的延性與很多因素有關，截面延性隨受拉鋼筋配筋率及屈服強度的提高而降低；隨受壓鋼筋配筋率和混凝土強度提高而提高，隨截面寬度增大而增大；塑性鉸區(qū)的箍筋可以防止縱筋的壓屈、提高混凝土極限壓應變、阻止斜裂縫的開展、抵抗剪力，充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力；梁高跨比越小，剪切變形比例越大，易發(fā)生斜裂縫破壞，使延性降低。梁縱筋配箍率過低，梁開裂后鋼筋可能屈服甚至拉斷。因而，規(guī)范對于梁縱筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率都有嚴格規(guī)定。為了抵抗梁端可能的正彎矩，保證截面延性，對梁端拉壓鋼筋面積比作出了限制。同時，還對梁的最小寬度、跨高比、高寬比做了規(guī)定。
3.3.2 柱的構造措施
柱為壓彎型受力構件，軸壓比對延性及耗能性影響較大。軸壓比小時，柱子發(fā)生大偏壓破壞，構件變形大，延性好，但耗能性降低；隨軸壓比的增大，耗能性增大，但是延性急劇下降，而且箍筋對延性的幫助減小。我們對于采用低地震力設計的柱子，主要保證其延性，而耗能性放到第二位。規(guī)范對軸壓比作出了限制，一般能保證在大偏壓的范圍內。箍筋同樣也對延性起到很大的作用，約束縱筋、提高混凝土壓應變、阻止斜裂縫發(fā)展。柱一般為對稱配筋，其縱筋配筋率越大，柱子屈服時變形越大，延性越好。因而對柱子的縱筋最小配筋率、箍筋加密區(qū)長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率做出了嚴格規(guī)定。同時對柱子的高寬比、剪跨比、截面最小高度、寬度做出了規(guī)定，以提高抗震性能。
3.3.3 節(jié)點構造措施
節(jié)點作為梁柱鋼筋的錨固區(qū)，對結構性能影響很大。為保證在地震和豎向荷載作用下，節(jié)點核心區(qū)剪壓比偏低時為節(jié)點核心區(qū)提供必要的約束，保持節(jié)點在不利情況下的基本抗剪能力，使梁柱縱筋可靠錨固，對節(jié)點核心區(qū)的箍筋最大間距、最小直徑、體積配箍率做出了規(guī)定。梁柱縱筋在節(jié)點的可靠錨固是節(jié)點構造措施的主要內容。規(guī)范對梁筋過中節(jié)點的直徑；對梁柱縱筋錨固長度；錨固方式都有詳細的規(guī)定。
3.3.4 剪力墻構造措施
為保證剪力墻的延性和耗能能力，為墻肢提供約束，防止出現(xiàn)大的裂縫，規(guī)范對剪力墻的邊緣構件做出了詳細規(guī)定；同時也對剪力墻的軸壓比作出了限制；為保證剪力墻的承載力和側向剛度，對剪力墻提出了最小墻厚的要求；為防止斜拉剪切破壞，限制斜裂縫的發(fā)展，減小溫度收縮裂縫，對剪力墻的水平、豎向分布筋的最小配筋率、最大間距、最小直徑做出了規(guī)定。
綜上所述；框架結構主要就是通過計算和構造措施來實現(xiàn)“追求梁鉸機構的能力設計方案”從而，進而實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防目標的。
參考文獻：
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2 混凝土結構設計規(guī)范 GB 50010-2002 中國建筑工業(yè)出版社，2002
3 建筑抗震設計規(guī)范 GB50011-2001 中國建筑工業(yè)出版社,2001
4 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程 JGJ3-2002 中國建筑工業(yè)出版社,2002
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