关于钢筋混凝土结构抗震设计的探讨

摘要：地震是一种地质现象，主要是由于地球的内力作用而产生的一种地壳振动现象，其中绝大多数伴随岩层断裂错动产生。由于地震灾害具有突发性，至今可预报性很低，因此抓好抗震设防地区建设工程的抗震设计，是减轻未来地震灾害损失最积极、最有效和最根本的措施。本文着重从钢筋混凝土结构的抗震设计进行探讨，以便抛砖引玉，让更多建筑专家重视房屋抗震设防研究。

关键词：钢筋混凝土结构地震抗震设防

地震是一种地质现象，主要是由于地球的内力作用而产生的一种地壳振动现象，其中绝大多数伴随岩层断裂错动产生。目前，世界上有两个地震活动频繁的地震带，即阿尔卑斯—喜马拉雅地震带和环太平洋地震带。这两个地震带都延伸到我国境内，所以我国是个多地震的国家，尤其西南、西北、华北、东南沿海及台湾等地区，强烈地震经常发生。2008年5月12日四川汶川发生8.0级大地震就给人们的生命财产造成了极其严重的损失。由于地震灾害具有突发性，至今可预报性很低，因此抓好抗震设防地区建设工程的抗震设计，是减轻未来地震灾害损失最积极、最有效和最根本的措施。本文着重从钢筋混凝土结构的抗震设计进行探讨，以便抛砖引玉，让更多建筑专家重视房屋抗震设防研究。

一、常用抗震分析法

伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。在结构设计中，我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。通常使用底部剪力法，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，这三种方法都是弹性分析方法。其中，底部剪力法最简便，适用与质量、刚度沿高度分布较均匀的结构。它的大致思路是通过估计结构的第一振型周期来确定地震影响系数，再结合结构的重力荷载来确定总的水平地震作用，然后按一定方式分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。而对于特别不规则和特别重要的结构，常常需要进行弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。以上方法主要针对结构在地震作用下的弹性阶段，保证结构具有一定的屈服水准。

对结构抗震性能进行分析是抗震研究的一项重要内容，非线性时程分析，非线性静力分析是目前常用的几种抗震分析方法。其中针对结构非线性反应的非线性时程分析法从建立在层模型或单列梁柱模型上的方法到建立在截面多弹簧模型上的方法，再到目前正在研究发展的纤维模型法，模拟的准确程度正在不断提高。

二、现代抗震设计思路

从60年代开始，研究者在滞回曲线为理想弹塑性及弹性刚度始终不变的前提下，通过对不同周期，不同屈服水准的非弹性单自由度体系做动力分析，得到了有关弹塑性反应下最大位移的规律：对T大于1.0秒的体系适用“等位移法则”即非弹性反应下的最大位移总等于同一地面运动输入下的弹性反应最大位移。对于T在0.12—0.5秒之间的结构，适用“等能量法则”即非弹性反应下的弹塑性变形能等于同一地震地面运用输入下的弹性变形能。当“等能量原则”适用时，随着R的增大，位移延性需求的增长速度比“等位移原则”下按与R相同的比例增长更快。由以上规律我们可以看出，如果以结构弹性反应为准，把结构用来做承载能力设计的地震作用取的越低，即R越大，则结构在与弹性反应时相同的地震作用下达到的非弹性位移就越大，位移延性需求就越高。这意味着结构必须具有更高的塑性变形能力。规律初步揭示出不同弹性周期的结构，当其弹塑性屈服水准取值大小不同时，在同一地面运动输入下屈服水准与所达到的最大非弹性位移之间的关系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水准不高的结构在较大地震引起的非弹性动力反应中不致发生严重损坏和倒塌的主要原因。让人们认识到延性在抗震设计中的重要性。

三、钢筋混凝土结构的抗震设计

构造措施是梁、柱、剪力墙塑性铰区要达到实际需要的塑性转动能力和耗能能力的保证。它与“强剪弱弯”、“强柱弱梁”相互关联，一起保证结构的延性。“强剪弱弯”是保证塑性铰转动能力和耗能能力的前提;“强柱弱梁”的严格程度，影响相应的构造措施，若实行严格的“强柱弱梁”，保证柱子除底部外不出现塑性铰，相应的轴压比等构造措施就要松些。我国采用相对的“强柱弱梁”，延缓柱子出铰的时间，所以需要采取较严的构造措施。

(一)梁的构造措施

梁塑性铰截面的延性与很多因素有关，截面延性随受拉钢筋配筋率及屈服强度的提高而降低;随受压钢筋配筋率和混凝土强度提高而提高，随截面宽度增大而增大;塑性铰区的箍筋可以防止纵筋的压屈、提高混凝土极限压应变、阻止斜裂缝的开展、抵抗剪力，充分发挥塑性铰的变形和耗能能力;梁高跨比越小，剪切变形比例越大，易发生斜裂缝破坏，使延性降低。梁纵筋配箍率过低，梁开裂后钢筋可能屈服甚至拉断。因而，规范对于梁纵筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密区长度、最大间距、最小直径、最大肢距、体积配箍率都有严格规定。为了抵抗梁端可能出现的正弯矩，保证截面延性，对梁端拉压钢筋面积比作出了限制。同时，还对梁的最小宽度、跨高比、高宽比做了规定。

(二)柱的构造措施

柱为压弯型受力构件，轴压比对延性及耗能性影响较大。轴压比小时，柱子发生大偏压破坏，构件变形大，延性好，但耗能性降低;随轴压比的增大，耗能性增大，但是延性急剧下降，而且箍筋对延性的帮助减小。我们对于采用低地震力设计的柱子，主要保证其延性，而耗能性放到第二位。规范对轴压比作出了限制，一般能保证在大偏压的范围内。箍筋同样也对延性起到很大的作用，约束纵筋、提高混凝土压应变、阻止斜裂缝发展。柱一般为对称配筋，其纵筋配筋率越大，柱子屈服时变形越大，延性越好。因而对柱子的纵筋最小配筋率、箍筋加密区长度、最大间距、最小直径、最大肢距、体积配箍率做出了严格规定。同时对柱子的高宽比、剪跨比、截面最小高度、宽度做出了规定，以提高抗震性能。

(三)节点构造措施

节点作为梁柱钢筋的锚固区，对结构性能影响很大。为保证在地震和竖向荷载的作用下，节点核心区剪压比偏低时为节点核心区提供必要的约束，保持节点在不利情况下的基本抗剪能力，使梁柱纵筋可靠锚固，对节点核心区的箍筋最大间距、最小直径、体积配箍率做出来了规定。梁柱纵筋在节点的可靠锚固是节点构造措施的主要内容。规范对梁筋过中节点的直径、对梁柱纵筋锚固长度、锚固方式都有详细的规定。

(四)剪力墙构造措施

为墙肢提供约束，防止出现大的防裂，规范对剪力墙的边缘构件做出了详细规定;同时也对剪力墙的轴压比作出了限制;为保证剪力墙的承载力和侧向刚度，对剪力墙提出了最小墙厚的要求;为防止斜拉剪切破坏，限制斜裂缝的发展，减小温度收缩裂缝，对剪力墙的水平、竖向分布筋的最小配筋率、最大间距、最小直径做出了规定。

四、结束语

综上所述，地震造成人民生命财产损失的主要原因，是由地震引起的建筑物和工程设施的破坏，以及次生灾害。国内外历次地震的经验告诉我们：抓好抗震设防地区建设工程的抗震设计，是减轻未来地震灾害损失最积极、最有效和最根本的措施。系统的抗震措施包括一下几个方面内容：

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。

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机构件都不会先发生剪切破坏。

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。

参考文献

1、白绍良等.《从各国设计规范对比看我国钢筋混凝土建筑结构抗震能力设计措施的有效性(一、二)》重庆大学土木工程学院，2001;

2、《混凝土钢筋设计规范》GB50010—2002中国建筑工业出版社，2002;

3、《建筑抗震设计规范》GB50011—2001中国建筑工业出版社，2001.