建工1005
201030239
吴文涛
浅谈钢结构抗震设计
抗震设计思路发展历程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,结构的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,并达到屈服后非弹性变形状态来耗散能量的现代抗震设计理论。
一.抗震设计思路发展历程
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，也无具体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外形态，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外形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”到答应结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力的“耗”的一系列转变。
二.现代抗震设计思路及关系
在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：
合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值，再以不同的R得到不同的设计用地面运动加速度来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。
制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性力。
其中主要包括内力调整措施和抗震构造措施。
现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心是关系，关系主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数；而为最大非弹性反应位移与屈服位移之比，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。
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动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，假如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。让人们熟悉到延性在抗震设计中的重要性。
之所以存在上诉的规律，我们应该注重到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变外形态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。假如某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，假如进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。
随着对规律熟悉的深入，这一规律已被各国规范所接受。在抗震设计时，对在同一烈度区的同一类结构，可以根据情况取用不同的R，也就是不同的用于强度设计的地震作用。当R取值较大，即用于设计的地震作用较小时，对结构的延性要求就越严；反之，当R取值较小，即用于设计的地震作用较大时，对结构的延性要求就可放松。
目前，国际上逐步形成了一套“多层次，多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为：工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态，非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为：损伤出现、正常运作、能继续居住、可修复的、生命安全、倒塌。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标，比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标――基本目标、必要目标、对安全其控制作用的目标。对重要性不同的建筑，如协助进行灾难恢复行动的医院等建筑，应该按较高的性态目标设计，此外，也可以针对甲方对建筑提出的不同抗震要求，选择不同的性态目标。
三.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：
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。
四.我国抗震设计思路中的部分不足
我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。
我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。
其中，最值得我们注重的是，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的熟悉上还存在一定的差距。欧洲和新西兰规范按地震作用降低系数来划分延性等级，“小震”取值越高，延性要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美国UBC规范按同样原则来划分延性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。这几种抗震思路都是符合规律的。而目前我国将地震作用降低系数统一取为2.86，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。对延性要求则并未按关系来取对应的，而是按抗震等级来划分，抗震等级实质又主要是由烈度分区来决定的。这就导致同一个R对应了不同的，从而制定了不同的抗震措施，这与关系是不一致的。这种思路造成低烈度区的结构延性要求可能偏低的结果。
另外，我国规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标也存在一定的问题。该设防目标对甲类、乙类、丙类这三类重要性不同的建筑来说，并不都是恰当的。这种笼统的设防目标也不符合当今国际上的“多层次，多水准性态控制目标”思想，这种多性态目标思想提倡在建筑抗震设计中应灵活采用多重性态目标。甲类建筑指重大建筑工程和地震时可能发生严重此生灾难的建筑，乙类建筑指地震时使用不能中断或需要尽快修复的建筑，由于不同类别建筑的不同重要性，不宜再笼统的使用以上同一个性态目标，此外，还应该考虑建筑所有者的不同要求，选择不同的设防目标，从而做到在性态目标的选择上更加灵活。
五.从汶川地震钢筋混泥土建筑结构
这次汶川地震大家都知道5月12号发生的它的震级是8级，开始我们说7.8级，我认为7.8级和8级是一样的，因为有误差，0.1和0.2个误差，这个深度20公里这叫潜地震，深地震六七百，现在经济损失国家公布八千亿，大概就是1200亿的美元。我认为以后破坏性最大的地震不是汶川地震而是唐山地震，现在有很多人汶川地震是破坏性最大的地震。
这次地震发生在四川盆地和青藏高原的地区，严重地区都是在山沟里面，一个小河两面都是很高的高山，人沿着这两边建筑居住。这次地震严重破坏的地方，破坏最厉害是映秀镇和白山的两个地方最严重，所以震中在映秀镇，映秀镇开始这个断层开始破裂，然后延伸下去，由于这种情况所造成的破坏基本上是这样，它的力度层是9度这个地方是11度，英秀镇是11度，白山也是11度。我个人认为这次地震是两个地震，就是几秒以后再发生以后，否则不可能有两个高点，这个地震本身牵扯到的大概十个县，就是地级以上大城市没有受到重创。我们重创的地方就是在乡村，包括两山人口的有10个县城，这次地震引发的地质灾害特别严重，道路堵，房屋破坏严重。堰塞湖所谓的就是一条河，就是山上和水一起上来的，把河水给挡出了，这个事情在四川不是第一次，这次唐家山堰塞湖如果搞的不好的话，地震以后造成几千万人的损失。四川地震以后形成了大概104个湖很多，四川有一个过道213线，从都江堰到汶川，这条每天行12万辆车，这个一直到23号才通车，我到那看了以后是一条河，过道有很多人在修，地震以后山来势头和土滑下来，把整个路给堵了，然后泥流到河里，如果在那里开车的人瞬间已经没有了，到现在那里有多少车多少人也不知道，所以滑坡增长的损害非常的大。最为严重就是棉石中学，地震以后老师让学生赶快下来，等于在空地上避震，但是在地震的时候，后山大石头从山上来，下来以后就到操场，石头下来到操场，跳起来又跳起来，正好落到学校的门口，沿途13个学生被砸死，这种情况真是我从来没有见过的，如果山上石头下来假设不是掉到水泥地面上，要到土地上面就不动了，所以今后在山边上搞学校不要弄水泥地面的。
唐山地震第二天我就去了，这次地震跟唐山不能相比，唐山地震以后荡然无存，这次地震还能看到一些，破坏目前最严重就是这两个地方，大石头下来把路挡住了，还有桥梁断了，这次地震灾害，给我们印象说汶川地震就是地质灾害带来的滑坡。我们建筑物破坏情况怎么样呢？唐山地震的时候没有倒塌的建筑物基本上都是砖结构房屋，唐山地震的时候有钢筋混泥土的构架，这样的房屋地震以后没有倒，这个给我们很大的歧视，从框架结构我们做好了地震一般是没有问题的。
日本的地震时候，我们看地下有人开商店是混凝土构成的，地震以后造成破坏，我们很多中国人讲，钢筋最抗震没问题，日本地震以后钢板也同样断裂。
集集地震地层框架都造成破坏，将来开发商盖房子，下面是钢筋混凝土的结构，这种房子最容易倒塌。
北川县城倒塌很厉害，就是第二层倒塌了其他层都在这个在中国地震灾害历史上第一次，日本出现过中间层倒塌，但是中国第一次出现这种情况，汶川县城最近这几年按照抗震盖的房子基本上没有倒塌，即使按7度设计都能够抗震不容易倒塌，唐山地震的时候所有房屋都躺下去了。
青川县城的县房屋倒塌了，有大量的房屋没有倒塌，这个地方青川县还有四川说这里不能呆了换一个另外地方建，所以当时县委说，你这个地方看是站立的废墟，当时我们听的就是站立废墟，我这个地方全部摧毁重搞，而且我吃饭的时候看到旁边的一个房子，虽然有破坏，青川县四层楼的结构，我认为这个结构可以加固，唐山地震以后我在国家建委抗震办公室工作，我们都是有做个一些房子维修，但是现在的基本上房子都不维修就是撤掉，汶川以后一个是搬家第二是撤掉，我搞几十年这方面的研究，我反对大搬家，我认为要原地重建，搬家重建要谨慎而且科学策划。
青川县的房子一个教学楼，教学楼里面没有学生，他们中午都去睡觉了，300个学生睡觉的时候都不砸死了，要是上课死不了。
汶川县当时也要搬家，这个县城我去看了以后，当时地震专家说这个是安全岛，在地带当中是安全岛，我们觉得也不是非常风险，现在已经确定不搬家就在原地重建。
汶川县城有一个楼房上面住户自己盖的小房子，地震以后倒塌了完了把下面的车砸坏了，所以无论如何不能自己盖小房子。像木结构的房子11度、12度都倒不了，再大地震都不怕，所以许多房屋和工程设施遭到了破坏，就是凡是采取抗震措施的房屋基本上都没有倒塌，所以将来盖房子无论如何采取抗震措施。
工程抗震已经介入到应用阶段，地震预报研究，诱发地震，诱发地震美国1952年有一个工厂要排废水打一个很深的井，在排水以前从来没有发生地震，排水以后小地震不断发生，打一个深井往里注水可以把水诱上来，另外水库可以引发地震，比如说这次汶川地震，都江堰有一个水库，地震是不是跟这个水库有关系，究竟有没有关系我也不懂这个事情，我这样一说既然水库可以诱发地震，我们是不是在地震发生过程能量聚集过程中，采用一种方法让地震发生，让小地震不断的发生，让大地震不发生。
另外规划要注意，地震断层发生泥石流火灾等等，有一些开发商搞很多小区，我看了上百个小区，小区做的跟花园公园一样，景观设计花很多钱，没有山造一个假山搞一个瀑布然后搞水，那个地方一年只有一两个月有水，全部搞，地震发生了账篷没地方放，地面不让停车，自行车还得放在地下，自行车放在家门口有什么不好看的很好的事情吗。再一个单体建筑，就是房子搞的花里胡哨那个完全没有用处，地震以后全部倒下来，你要那个东西干什么？建筑师就想弄的好看，你搞装饰构建你们跟他说你要这个干什么，别去搞这个东西，还有一个错层，很多开发商搞的楼板不在一个地方，这种房子地震的时候很容易倒塌了，你们不要搞这个错层房子，错层房子如果放圈梁，圈梁没地方放，圈梁必须要靠楼板，所以这种房子看上去感觉很特别有变化，另外有的在家里面从一个房子三个挡步上去另外一个房子，这种房子对小孩老人非常不利的，我们开发商一定引导这些人，家里面进去是平地对老人安全都是有好处的，你搞进去有高差的时候，年轻时候觉得挺好年纪大了就不好了，地震以后发生火灾问题采取措施，唐山的地震煤气没有没问题。美国和日本对这个问题非常重要，美国地震以后房子烧了很多。日本1923年大地震的火烧非常厉害，当时烧人没地方带了，跑到水塘里了，最后水塘烧开了把人给煮死了，当时有100多处起火，所以我们对防止火灾采取重视。
六.常用抗震分析方法
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。通常采用底部剪力法，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，适用于质量、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。而对于非凡不规则和非凡重要的结构，经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建立在截面纤维滞回本构规律的纤维模型法，模拟的准确程度正在不断提高。其基本思路是通过一系列数值方法建立和求解动力方程从而得到结构各个时刻的反应量。但由于对地震特点和结构特性所做的假设，其结果存在不确定性，其主要价值是用来考察地震作用下普遍的而非特定的反应规律，以及对抗震设计后的结构进行校核分析，评估其抗震性能。非线性静力分析法是近年来得到广泛应用的一种结构抗震能力评估的新方法。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，但它将反应谱引入了计算过程和结果。其根本特征是用静力荷载描述地震作用，在地震作用下考虑结构的弹塑性性质。它的基本原理和步骤是先以某种方法得到结构在可能遭遇地震作用下所对应的目标位移，然后对结构施加竖向荷载的同时，将表征地震作用的一组水平静力荷载以单调递增的形式作用到结构上，在达到目标位移时停止荷载递增，最后在荷载中止状态对结构进行抗震性能评估，判定是否可以保证结构在该水平地震作用下满足功能需求。
从现代抗震设计思路提出至今，世界各国的抗震学术界和工程界又取得了许多新的成果，比如进行了大量钢筋混凝土构件的抗震性能试验；通过迅速发展的计算机技术编制了准确性更好的非线性动力反应程序；在设计方法上也不再拘泥于以前单一的基于力的传统抗震设计方法，开始尝试基于性能和位移的新的抗震设计理念。在这样的环境中，我国的抗震设计思路也应该在完善自身不足的同时，不断向前发展。
