張韶宇

摘 要：本文初步總結(jié)了我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的能力設(shè)計(jì)法，提倡在設(shè)計(jì)中明確思路，主動(dòng)控制破壞的次序、破壞的部位、破壞的形態(tài)，形成合理的延性抗震體系。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；能力設(shè)計(jì)法；控制

“能力設(shè)計(jì)方法”由新西蘭學(xué)者首先提出，并用之于抗震規(guī)范。方法的關(guān)鍵在于將控制概念引入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，有目的地引導(dǎo)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制，避免不合理的破壞形態(tài)。該方法不僅使得結(jié)構(gòu)抗震性能和能力更易于掌握，同時(shí)也使得抗震設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)便明確?，F(xiàn)行的各國(guó)抗震規(guī)范均在不同程度上采用了能力設(shè)計(jì)方法的思路。本文初步總結(jié)了我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的能力設(shè)計(jì)法。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的層次

對(duì)于一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一般分為三個(gè)層次（詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2]）。第一層次是指安全度的考慮，采用一次二階矩法，主要包括四個(gè)方面內(nèi)容：結(jié)構(gòu)安全等級(jí)和抗震等級(jí)、荷載取值和地震作用大小的計(jì)算、材料取值、分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)的取值。第二層次是結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析，依據(jù)受力變形情況有幾何線(xiàn)性分析與非線(xiàn)性分析，依據(jù)材料特性有彈性分析和塑性分析。第三層次是構(gòu)件、截面的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。

2 不同設(shè)計(jì)層次上的能力保護(hù)

混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的能力設(shè)計(jì)法是以不同構(gòu)件的受力特征和失效方式為基礎(chǔ)，避免脆性破壞，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在地震作用下形成以梁鉸為主的延性耗能機(jī)構(gòu)，并且使重要承重構(gòu)件在其塑性鉸區(qū)屈服后依靠構(gòu)造措施保證承載力不降低而且有相當(dāng)?shù)乃苄宰冃文芰?，從而?shí)現(xiàn)抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)目標(biāo)的方法。其基本思想是：主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的破壞按設(shè)計(jì)者預(yù)想的形式發(fā)生。具體的實(shí)現(xiàn)方法就是在設(shè)計(jì)過(guò)程中控制破壞的次序、破壞的部位、破壞的形態(tài)。基于反應(yīng)譜的能力設(shè)計(jì)方法是我國(guó)抗震設(shè)計(jì)的基本思路，在不同設(shè)計(jì)層次上都有體現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)的第一層次，能力設(shè)計(jì)法主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的劃分和地震作用的調(diào)整兩個(gè)方面。為保證結(jié)構(gòu)使用的安全，不同使用功能和重要性的結(jié)構(gòu)在地震作用下有不同的結(jié)構(gòu)延性要求，依據(jù)“設(shè)防類(lèi)別、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、設(shè)防烈度、房屋高度”的不同，劃分不同的抗震等級(jí)。不同的抗震等級(jí)則采用不同的地震作用計(jì)算和不同的抗震措施?？拐鸬燃?jí)是規(guī)范中結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)全面性、控制性的指標(biāo)，是方向性的指標(biāo)。因?yàn)榈卣鸬膹?fù)雜性、不確定性和人們現(xiàn)階段分析地震作用方法的限制性，需要對(duì)計(jì)算的地震大小進(jìn)行合理性的判斷，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。地震作用的調(diào)整主要有兩個(gè)內(nèi)容：①地震作用應(yīng)滿(mǎn)足樓層最小地震剪力要求，不滿(mǎn)足時(shí)應(yīng)增大地震作用。該項(xiàng)控制指標(biāo)，主要是為了反映地面地震運(yùn)動(dòng)速度、位移對(duì)結(jié)構(gòu)的作用影響，彌補(bǔ)加速度反應(yīng)譜計(jì)算方法的不足。②當(dāng)采用振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果略小于彈性時(shí)程分析的結(jié)果時(shí)，可采取直接加大地震作用的方法，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)?？梢钥闯?，在第一層次上能力設(shè)計(jì)法在總體層面上既保證了設(shè)計(jì)輸入時(shí)地震作用的合理性，又控制了設(shè)計(jì)結(jié)果輸出的方向和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全度。

在設(shè)計(jì)的第二層次，能力設(shè)計(jì)法主要體現(xiàn)在對(duì)地震作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整方面。具體有以下四個(gè)主要內(nèi)容：①結(jié)構(gòu)在“水平向”可以有多種抗側(cè)力體系構(gòu)成，不同系統(tǒng)有不同的能力，構(gòu)成多道抗震防線(xiàn)。其中，作為第二道防線(xiàn)的結(jié)構(gòu)在地震作用下應(yīng)具備最基本的承載能力要求，保證大震下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并防止結(jié)構(gòu)全部倒塌。該項(xiàng)要求必須達(dá)到，不足時(shí)應(yīng)進(jìn)行人為調(diào)整增大。如：框架-抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)中框架部分應(yīng)滿(mǎn)足最小總地震剪力要求，保證在大震作用下框架能發(fā)揮第二道防線(xiàn)作用。同理，板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中板柱結(jié)構(gòu)為第二道防線(xiàn)，也應(yīng)滿(mǎn)足最小總地震剪力要求。②帶轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)可以看作在“豎向”由多種結(jié)構(gòu)體系“混合”而成，其中轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件和框支柱組成的轉(zhuǎn)換體系一般是結(jié)構(gòu)下部薄弱部位，地震時(shí)破壞將引起結(jié)構(gòu)整體倒塌，應(yīng)保護(hù)這些轉(zhuǎn)換部位，使塑性鉸在轉(zhuǎn)換層以上部位出現(xiàn)，形成合理的整體屈服機(jī)制。規(guī)范規(guī)定應(yīng)將這些部位在水平地震作用下的內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值人為調(diào)整增大。③同一結(jié)構(gòu)中，從豎向看，突出屋面的結(jié)構(gòu)在地震作用下存在鞭梢效應(yīng)，若采用底部剪力法分析應(yīng)放大該部分的地震剪力，若采用振型分解反應(yīng)譜法分析則應(yīng)將該部分作為單獨(dú)質(zhì)點(diǎn)考慮。不規(guī)則的結(jié)構(gòu)薄弱層應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，該層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)放大1.15～1.25倍。④同一結(jié)構(gòu)中，從水平向看，規(guī)則不耦聯(lián)結(jié)構(gòu)采用放大邊榀地震作用的方法考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用更精確分析方法考慮地震的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)?？梢钥闯觯诘诙哟紊夏芰υO(shè)計(jì)法通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)不同分體系的承載能力調(diào)整和同一結(jié)構(gòu)中重要部位、薄弱部位的承載能力調(diào)整，達(dá)到控制地震作用下結(jié)構(gòu)體系破壞次序、破壞部位的目的。

在設(shè)計(jì)的第三層次，能力設(shè)計(jì)法主要體現(xiàn)在對(duì)地震作用控制的內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值的調(diào)整和對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取延性構(gòu)造措施兩個(gè)方面。具體有以下七個(gè)主要內(nèi)容：①構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免發(fā)生脆性剪切破壞，人為調(diào)整構(gòu)件端斜截面受剪承載力高于正截面受彎承載力，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)，如：框架梁、框架柱、剪力墻的底部加強(qiáng)區(qū)。②框架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免整體出現(xiàn)易倒塌的柱端屈服型破壞機(jī)制，人為調(diào)整柱端受彎承載力高于梁端受彎承載力，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”。③框架結(jié)構(gòu)的底層柱下端，在強(qiáng)震作用下雖然不可避免出現(xiàn)塑性鉸，但希望塑性鉸不要過(guò)早出現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)將該部位的彎矩設(shè)計(jì)值人為加大，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱根”。同時(shí)框架結(jié)構(gòu)的角柱在雙向地震作用下，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，破壞后果嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時(shí)人為加大其彎矩設(shè)計(jì)值和剪力設(shè)計(jì)值。④框架結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)是使梁、柱組成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，在地震作用下應(yīng)避免早于構(gòu)件破壞，設(shè)計(jì)時(shí)采用節(jié)點(diǎn)剪力增大系數(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)核芯區(qū)截面抗震驗(yàn)算，滿(mǎn)足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的要求。⑤為控制剪力墻的塑性鉸位置在底部出現(xiàn)，增大剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)以上部位的剪力設(shè)計(jì)值、彎矩設(shè)計(jì)值。⑥受力復(fù)雜而且重要的轉(zhuǎn)換構(gòu)件（如：框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的框支柱等）的彎矩設(shè)計(jì)值、剪力設(shè)計(jì)值調(diào)整增大。⑦采用保證構(gòu)件延性的構(gòu)造措施，如框架梁端的混凝土相對(duì)受壓區(qū)高度、豎向構(gòu)件（框架柱、剪力墻）的軸壓比要求等?？梢钥闯?，在第三層次上能力設(shè)計(jì)法通過(guò)人為調(diào)整構(gòu)件最終配筋情況和采取各項(xiàng)延性構(gòu)造措施，確保脆性構(gòu)件和不宜用于耗能的構(gòu)件（應(yīng)進(jìn)行能力保護(hù)的構(gòu)件）處于彈性反應(yīng)范圍，達(dá)到控制構(gòu)件破壞形態(tài)，進(jìn)而控制結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的目的。

3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范中的能力設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上是基于承載力和構(gòu)造保證延性的設(shè)計(jì)方法，延性設(shè)計(jì)的思想是通過(guò)對(duì)抗震能力的主動(dòng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是，由于混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后剛度不斷變化內(nèi)力重新分配，結(jié)構(gòu)的變形機(jī)構(gòu)和破壞機(jī)制并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，使該方法顯得比較理想化和簡(jiǎn)單。基于“力”的能力設(shè)計(jì)法對(duì)作用不同的構(gòu)件采用相同的、單一的、籠統(tǒng)的性能指標(biāo)，漸漸不能適應(yīng)日益復(fù)雜的抗震設(shè)計(jì)要求，最終現(xiàn)代抗震學(xué)在能力設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。性能設(shè)計(jì)的核心思想是針對(duì)不同設(shè)防目標(biāo)采用不同水準(zhǔn)、多種參數(shù)的定量化抗震設(shè)計(jì)，目前的研究主要集中在基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法上。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》也已經(jīng)有了有關(guān)性能設(shè)計(jì)的條文，這意味著我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)方法開(kāi)始向性能設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行過(guò)渡。

4 小 結(jié)

能力設(shè)計(jì)的方法不是對(duì)內(nèi)力分析的結(jié)果進(jìn)行“等安全度”的簡(jiǎn)單配筋設(shè)計(jì)，而是以構(gòu)件的受力特征和破壞方式為基礎(chǔ)，通過(guò)抗震設(shè)計(jì)中調(diào)整承載力和延性構(gòu)造，形成“不等安全度”的結(jié)構(gòu)體系，使該體系按預(yù)想形式延性破壞。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)手段下，基于“力”的能力設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)單、有效，“控制、調(diào)整”的設(shè)計(jì)思想仍將在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中繼承下去。

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