我国钢筋混凝土抗震设计的基本思路和方法

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地震灾害具有突发性，至今可预报性很低，给人类社会造成的损失严重，是各类自然灾害中最严重的灾害之一。我国根据现有的科学水平和经济条件，对建筑抗震提出了“三个水准”的设防目标，即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。通常所讲的小震、中震、大震分别指的是50年超越概率为63%，10%，2~3%的多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震。
1 结构设计地震力的确定
　　1.1 低地震力取值的可行性
　　到二十世纪八十年代，各国设计规范都承认这样一个事实，就是在地震作用下，结构在真正失效前，有一个较大的塑性变形能力（结构延性），即结构在一个较小的地震下可能达到或者接近屈服状态；而在较大的地震下，结构的若干部位将陆续进入屈服后的非弹性变形状态，并且随着地震力的增大，结构中进入弹塑性变形的部位增多，先进入屈服的部位弹塑性变形也增大。结构通过这种变形耗散较多的地震传来的能量，将其转换成热能。
　　对于“设计地震力－延性”联合法则，我们可以从地震力和结构相互关系上进行理解：一方面设计地震力低的结构，通过更大的非弹性变形耗散掉更多的地震能量；另一方面结构非弹性变形越大，刚度降低越严重，阻尼增大，周期比高设计地震力的结构增长越多，结构受到的总地震力也降低也越多。这就使得我们在设计过程中，在不降低构件竖向承载力保证结构延性的前提下，可以取用一个小于设防烈度地震反应水准作为设计中取用的地震作用。反过来讲，若采用的设计地震力越低，结构屈服部位在屈服后水平和竖向承载力不降低的前提下需要达到的非弹性变形就越大，也就需要结构有更好的延性性能。
　　这样，我们就需要解决如下两个问题：
　　A． 如何在设防烈度地震作用与设计地震力取值之间建立恰当的联系；
　　B． 如何在设计地震力与所要求的结构延性建立对应关系。
　　对于问题A，以N.M.Newmark为代表的众多学者认为，将设防烈度地震加速度通过地震力降低系数R（中，美等国）或结构性能系数q（欧共体，新西兰等）折减为结构设计加速度，相当于赋予结构一个较小的屈服承载力，结构在竖向承载力不降低的情况下，通过屈服后的非弹性变形来经受更大的地震，实现“大震不倒”的目标。因而，采用低设计地震力的关键在于保证结构及构件在大震下达到所需的延性。对于地震力降低系数R或结构性能系数q，各国设计规范存在略为不同的处理手法，不过总体而言R或q均为设防烈度地震作用与结构截面设计所用的地震作用的比值。 R或q越大，则要求结构达到的延性能力越大，R或q越小，则结构需要达到的延性能力越小。这样均能实现“大震不倒”。
　　对于问题B，国外一般有如下三种设计方案：（1）较高地震力——较低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）较低地震力——较高延性方案。高地震力方案主要保证结构的承载力，低地震力方案主要保证结构的延性。实际震害表明，这三种方案，从抗震效果和经济性来看，都能达到设防目标。我国的抗震设计采用的是方案（3）即较低地震力——较高延性方案，即采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并将它与其他荷载内力进行组合，进行截面设计，通过钢筋混凝土结构在屈服后的地震反应过程中形成较为有利的耗能机构，使结构主要的耗能部位具有良好的屈服后变形能力来实现“大震不倒”的目标。当然，我们还要看到一点，虽然这三个方案都能保证“大震不倒”，但是在改善结构在中小地震下的性态方面，方案（3）仅仅提高结构的延性水平而结构的屈服水准并没有明显提高是明显不如方案（1）和（2）的。也就是说，在保证“小震不坏，中震可修”方面，方案（1）和（2）是优于方案（3）的。
　　地震动以波的形式在地下及地表传播，由于震源特点、断层机制、传播途径等因素的不确定性，具有很大随机性。要想得出地震动对于不同结构有什么不同的反应，就需要在地震动特性与结构反应架起一座桥梁。由于地震动反应谱的形状特征反应了不同类型结构动力最大反应的特点，所以各工程中一般采用地震影响系数谱曲线作为计算地震作用的依据。
　　我国的谱曲线综合考虑了烈度、震中距、场地类别、结构自振周期和阻尼比的影响。根据新修订的中国地震动参数区划图，给出了抗震设防烈度（中震）下的设计基本地震加速度。通过对震级、震中距、场地类别等因素对结构反应谱的影响，抗震规范把动力放大系数取为2.25。根据统计资料，多遇地震烈度比基本烈度降低约1.55度，相当于地震作用降低0.35倍，即地震力降低系数为1/0.352.8。从而得到小震时结构的设计加速度，其值与重力加速度的比值即为小震时水平地震影响系数最大值。
与其他国家相比，我国的地震力降低系数R2.7~2.8，其取值与新西兰“有限延性框架”相当（R=3）；介于欧洲共同体低延性DC“L”（R=2.5）和中延性DC“M”（R=3.75）之间；比美国的“一般框架”（R=3.5）还要略小些。单纯从R的角度来看，似乎中国规范在大震下的延性需求和其他国家相比处在“中等延性结构”水平。但是中国设防烈度下水平地面运动的峰值加速度系数的取值，要比其他各个国家的低（见下表）。结构动力放大系数相差不大都在2.25附近，而且我国的谱曲线平台段与其他国家相比很小，下降段较陡，造成反应谱的取值较其他国家的低，实质上中国R＝2.8相当于欧共体的R＝5.0左右，所以实质上，我国采用的是“较低地震力——较高延性”方案。在大震下所需要的延性需求与其他国家相比，应该属于高延性需求。
各国规范 美国UBC 1997 新西兰NZS3101 欧洲EC8 中国GB50011-2001
加速度系数 0.075~0.40 0.21~0.42 0.12~0.36 0.05~0.40
　　1.2 地震作用计算
　　随着反应谱理论的不断成熟，各个国家对地震力在结构上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反应谱法等方法。我国规范规定：
　　底部剪力法适用于高度不超过40m，以剪切变形为主且质量刚度沿高度分布均匀的结构，以及近似单质点的结构。结构的总地震力由确定，然后再沿高度按倒三角形分布分配，并考虑了地震中可能顶部地震力增大的顶点附加集中力。