一、抗震設(shè)計(jì)思路發(fā)展歷程
隨著建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)理論研究的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路也經(jīng)歷了一系列的變化。
最初，在未考慮結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力特征，也無詳細(xì)的地震作用記錄統(tǒng)計(jì)資料的條件下，經(jīng)驗(yàn)性的取一個(gè)地震水平作用(0.1倍自重)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。到了60年代，隨著地面運(yùn)動(dòng)記錄的不斷豐富，人們通過單自由度體系的彈性反應(yīng)譜，第一次從宏觀上看到地震對彈性結(jié)構(gòu)引起的反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)周期和阻尼比變化的總體趨勢，揭示了加固改造結(jié)構(gòu)在地震地面運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)激勵(lì)下的強(qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)力特征。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一個(gè)無法解釋的矛盾，當(dāng)時(shí)規(guī)范所取的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度明顯小于按彈性反應(yīng)譜得出的作用于加固改造結(jié)構(gòu)上的地面運(yùn)動(dòng)加速度，這些結(jié)構(gòu)大多數(shù)卻并未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞和倒塌。后來隨著對結(jié)構(gòu)非線性性能的不斷研究，人們發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)取的地震作用只是賦予結(jié)構(gòu)一個(gè)基本屈服加固改造承載力，當(dāng)發(fā)生更大地震時(shí)，結(jié)構(gòu)將在一系列控制部位進(jìn)入屈服后非彈性變形狀態(tài)，并靠其屈服后的非彈性變形能力來經(jīng)受地震作用。由此，也逐漸形成了使結(jié)構(gòu)加固改造在一定水平的地震作用下進(jìn)入屈服，并達(dá)到足夠的屈服后非彈性變形狀態(tài)來耗散能量的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理論。
由以上可以看出，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路經(jīng)歷了從彈性到非線性，從基于經(jīng)驗(yàn)到基于非線性理論，從單純保證結(jié)構(gòu)承載能力的“抗”到允許加固改造結(jié)構(gòu)屈服，并賦予結(jié)構(gòu)一定的非彈性變形性能力的“耗”的一系列轉(zhuǎn)變。
二、現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路及關(guān)系
在當(dāng)前抗震理論下形成的現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)思路，其主要內(nèi)容是：
1.合理選擇確定結(jié)構(gòu)屈服水準(zhǔn)的加固改造地震作用。一般先以一具有統(tǒng)計(jì)意義的地面峰值加速度作為該地區(qū)地震強(qiáng)弱標(biāo)志值(即中震的)，再以不同的r(地震力降低系數(shù))得到不同的設(shè)計(jì)用地面運(yùn)動(dòng)加速度(即小震的)來進(jìn)行加固改造結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而確定了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)。
2.制定有效的抗震措施使結(jié)構(gòu)確實(shí)具備設(shè)計(jì)時(shí)采用的所對應(yīng)的延性能力。其中主要包括內(nèi)力調(diào)整措施(強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎)和抗震構(gòu)造措施。
現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)理念是基于對結(jié)構(gòu)非彈性性能的研究上建立起來的，其核心是關(guān)系，關(guān)系主要指在不同滯回規(guī)律和地面運(yùn)動(dòng)特征下，結(jié)構(gòu)的加固改造屈服水準(zhǔn)與自振周期以及最大非彈性動(dòng)力反應(yīng)間的關(guān)系。其中r為彈塑性反應(yīng)地震力降低系數(shù)，簡稱地震力降低系數(shù);而為最大非彈性反應(yīng)位移與屈服位移之比，加固改造稱為位移延性系數(shù);t則為按彈性剛度求得的結(jié)構(gòu)自振周期。
60年代開始，研究者在滯回曲線為理想彈塑性及彈性剛度始終不變的前提下，通過對不同周期，不同屈服水準(zhǔn)的非彈性單自由度體系做加固改造動(dòng)力分析，得到了有關(guān)彈塑性反應(yīng)下最大位移的規(guī)律：對t大于1.0秒的體系適用“等位移法則”即非彈性反應(yīng)下的最大位移總等于同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下的彈性反應(yīng)最大位移。加固改造對于t在0.12-0.5秒之間的結(jié)構(gòu)，適用“等能量法則”即非彈性反應(yīng)下的彈塑性變形能等于同一地震地面運(yùn)動(dòng)輸入下的彈性變形能。當(dāng)“等能量原則”適用時(shí)，隨著r的增大，位移延性需求的增長速度比“等位移原則”下按與r相同的比例增長更快。由以上規(guī)律我們可以看出，如果加固改造以結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)為準(zhǔn)，把結(jié)構(gòu)用來做承載能力設(shè)計(jì)的地震作用取的越低，即r越大，則結(jié)構(gòu)在與彈性反應(yīng)時(shí)相同的地震作用下達(dá)到的非彈性位移就越大，位移延性需求就越高。這意味著結(jié)構(gòu)必須具有更高的塑性變形能力。規(guī)律初步揭示出不同彈性周期的結(jié)構(gòu)，當(dāng)加固改造其彈塑性屈服水準(zhǔn)取值大小不同時(shí)，在同一地面運(yùn)動(dòng)輸入下屈服水準(zhǔn)與所達(dá)到的最大非彈性位移之間的關(guān)系。也揭示出了延性能力和塑性耗能能力是屈服水準(zhǔn)不高的結(jié)構(gòu)在較大地震引起的非彈性動(dòng)力反應(yīng)中不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞和倒塌的主要原因。讓人們認(rèn)識(shí)到延性在抗震設(shè)計(jì)中的重要性。
隨著對規(guī)律認(rèn)識(shí)的深入，這一規(guī)律已被各國規(guī)范所接受。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對在同一烈度區(qū)的同一類結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)情況取用不同的加固改造，也就是不同的用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的地震作用。當(dāng)r取值較大，即用于設(shè)計(jì)的地震作用較小時(shí)，對結(jié)構(gòu)的延性要求就越嚴(yán);反之，當(dāng)r取值較小，即用于設(shè)計(jì)的地震作用較大時(shí)，對結(jié)構(gòu)的延性要求就可放松。
目前，國際上逐步形成了一套“多層次，多水準(zhǔn)性態(tài)控制目標(biāo)”的抗震理念。這一理念主要含義為：工程師應(yīng)該選擇合適的形態(tài)水準(zhǔn)和地震荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建筑物的性態(tài)是由結(jié)構(gòu)的性態(tài)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和體系的性態(tài)以及建筑物內(nèi)容物性態(tài)的組合。目前性態(tài)水準(zhǔn)一般分為：損傷出現(xiàn) 、正常運(yùn)作 、能繼續(xù)居住 、可修復(fù)的 、生命安全 、倒塌 。性態(tài)目標(biāo)指建筑物在一定程度的地震作用下對加固改造所期望的性態(tài)水準(zhǔn)的表述。對建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用多重性態(tài)目標(biāo)，比如美國的“面向2000基于性態(tài)工程的框架方案”曾對一般結(jié)構(gòu)、必要結(jié)構(gòu)、對安全起控制作用的結(jié)構(gòu)分別建議了相應(yīng)的加固改造性態(tài)目標(biāo)――基本目標(biāo)(常遇地震下完全正常運(yùn)作，少遇地震下正常運(yùn)作，罕遇地震下保證生命安全，極罕遇地震下接近倒塌)、必要目標(biāo)(少于地震下完全正常運(yùn)作，罕遇地震下正常運(yùn)作，極罕遇地震下保證生命安全)、對安全其控制作用的目標(biāo)(罕遇地震下完全正常運(yùn)作，極罕遇地震下正常運(yùn)作)。對加固改造重要性不同的建筑，如協(xié)助進(jìn)行災(zāi)害恢復(fù)行動(dòng)的醫(yī)院等建筑，應(yīng)該按較高的性態(tài)目標(biāo)設(shè)計(jì)，此外，也可以針對甲方對建筑提出的不同抗震要求，選擇不同的性態(tài)目標(biāo)。
保證結(jié)構(gòu)延性能力的抗震加固改造
合理選擇了結(jié)構(gòu)的屈服水準(zhǔn)和延性要求后，就需要通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)確實(shí)具有所需的延性能力，從而保證結(jié)構(gòu)在中震、大震下實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。系統(tǒng)的抗震措施包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：
1.“強(qiáng)柱弱梁”：人為增大柱相對于梁的抗彎能力，使加固改造鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸出現(xiàn)較早，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大;而柱端塑性鉸出現(xiàn)較晚，在達(dá)到最大非線性位移時(shí)塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至加固改造根本不出現(xiàn)塑性鉸。從而保證框架具有一個(gè)較為穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)和較大的塑性耗能能力。
2.“強(qiáng)剪弱彎”：剪切破壞基本上沒有延性，一旦加固改造某部位發(fā)生剪切破壞，該部位就將徹底退出結(jié)構(gòu)抗震能力，對于柱端的剪切破壞還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部或整體倒塌。因此可以人為增大柱端、梁端、節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，使結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中其任何構(gòu)件都不會(huì)先發(fā)生剪切破壞。
3.抗震構(gòu)造措施：通過抗震構(gòu)造加固改造措施來保證形成塑性鉸的部位具有足夠的塑性變形能力和塑性耗能能力，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的整體性。
這一系統(tǒng)的抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對于耗能機(jī)構(gòu)卻出現(xiàn)了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。首先，加固改造這兩種思路都是以優(yōu)先引導(dǎo)梁端出塑性鉸為前提。
新西蘭的抗震研究者認(rèn)為耗能機(jī)構(gòu)宜采用符合塑性力學(xué)中的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”，即梁端全部形成塑性鉸，同時(shí)底層柱底也都形成塑性鉸的“全結(jié)構(gòu)塑性機(jī)構(gòu)”。其具體做法是通過結(jié)構(gòu)分析得到各構(gòu)件組合內(nèi)力值后，對梁端截面就加固改造按組合彎矩進(jìn)行截面設(shè)計(jì);而對除底層柱底以外的柱截面，則用人為增大了以后的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行設(shè)計(jì);對底層柱底截面則用增大幅度較小的組合彎矩和組合軸力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。通過這一做法實(shí)現(xiàn)在大震下的較大塑性變形中，梁端塑性鉸形成的較為普遍，底層加固改造柱底塑性鉸出現(xiàn)遲于梁端塑性鉸，而其余所有的柱截面不出現(xiàn)塑性鉸，最終形成“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”。為此，這種方法就必須取足夠大的柱端彎矩增強(qiáng)系數(shù)。
美國抗震界則認(rèn)為新西蘭取的柱彎矩增強(qiáng)加固改造系數(shù)過大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取了較小的柱彎矩增強(qiáng)系數(shù)，這一做法使結(jié)構(gòu)在大震引起的非彈性變形過程中，梁端塑性鉸形成較早，柱端塑性鉸形成的相對較遲，梁端塑性鉸形成的較加固改造普遍，柱端塑性鉸形成的相對少一些，從而形成“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”。
新西蘭抗震措施的好處在于“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”完全利用了延性和塑性耗能能力較好的梁端塑性鉸來實(shí)現(xiàn)框架延性和耗散地震能量，同時(shí)因?yàn)槌讓又淄獾钠渌瞬怀霈F(xiàn)塑性鉸，也就不必再對這些柱端加更多的箍筋。但是加固改造這種思路過于受塑性力學(xué)形成理想機(jī)構(gòu)概念的制約，總認(rèn)為底層柱底應(yīng)該形成加固改造塑性鉸，這樣就對底層柱底提出了較嚴(yán)格的軸壓比要求，同時(shí)還要用足夠多的箍筋來使柱底截面具有所需的延性，此外，底層柱底如果延性不夠發(fā)生破壞很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加固改造整體倒塌。這些不利因素使該方法喪失了很大的優(yōu)勢。
因此很多研究者認(rèn)為不需要加固改造被塑性力學(xué)的機(jī)構(gòu)概念所限制，只要能在大震下實(shí)現(xiàn)以下的塑性耗能機(jī)構(gòu)，就能保證抗震設(shè)計(jì)的基本要求：
1.以梁端塑性鉸耗能為主;
2.不限制柱端塑性鉸加固改造出現(xiàn)(包括底層柱底)，但是通過適當(dāng)增強(qiáng)柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)離其塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力有足夠裕量;
3.同層各柱上下端不同時(shí)處于加固改造塑性變形狀態(tài)。
我國的抗震措施中對耗能機(jī)構(gòu)的考慮也基本遵循了這一思路，采用了“梁柱塑性鉸機(jī)構(gòu)”模式，而放棄了新西蘭的基于塑性力學(xué)的“理想梁鉸機(jī)構(gòu)”模式。
抗震設(shè)計(jì)中我們?yōu)榱思庸谈脑毂苊鉀]有延性的剪切破壞的發(fā)生，采取了“強(qiáng)剪弱彎”的措施來處理構(gòu)件受彎能力與受剪能力的關(guān)系問題。值得注意的是，與非抗震抗剪破壞相比，地震作用下的剪切破壞是不同的。以梁構(gòu)件為例，加固改造在較大地震作用下，梁端形成交叉斜裂縫區(qū)，該區(qū)混凝土受斜裂縫分割，形成若干個(gè)菱形塊體，而且破碎會(huì)隨著延性增長而加劇。由于交叉斜裂縫與塑性鉸區(qū)基本重合，加固改造垂直和斜裂縫寬度都會(huì)隨延性而增大?？拐鹣赂鶕?jù)梁端的受力特征，正剪力總是大于負(fù)剪力，正剪力作用下的剪壓區(qū)一般位于梁下部，但由于地震的往復(fù)作用，梁底的混凝土保護(hù)層可能已經(jīng)剝落，從而削弱了混凝土剪壓區(qū)的抗剪能力;交叉斜裂縫寬度比非抗震情況大，以及斜裂縫反復(fù)開閉，混凝土破碎更嚴(yán)重，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應(yīng)退化;混凝土保護(hù)層剝落和裂縫的加寬又會(huì)使縱筋的銷栓作用有一定退化。可見，地震作用下，混凝土抗剪能力嚴(yán)重退化，但是試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)箍筋的抗剪能力仍可以維持。
當(dāng)?shù)卣鹱饔迷絹碓叫r(shí)，加固改造梁端可能不出現(xiàn)雙向斜裂縫，而出現(xiàn)單向斜裂縫，裂縫寬度發(fā)育也從大于非抗震情況到接近非抗震情況，抗剪環(huán)境越來越有利。此外，抗震抗剪要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)在大震下預(yù)計(jì)達(dá)到的非彈性變形狀態(tài)之前不發(fā)生剪切破壞。因?yàn)榭蚣芗羟衅茐目偸前l(fā)生在梁端塑性鉸區(qū)，這就不僅加固改造要求在梁端形成塑性鉸前不發(fā)生剪切破壞，而且抗剪能力還要維持到塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到大震所要求的程度，加固改造這就需要更多的箍筋。同時(shí)，在梁端塑性變形過程中作用剪力并沒有明顯增大，也進(jìn)一步說明這里增加的箍筋不是用來增大抗剪強(qiáng)度，而是為了加固改造提高構(gòu)件在發(fā)生剪切破壞時(shí)所達(dá)的延性。
綜上所述，與非抗震抗剪相比，加固改造抗震抗剪性能是不同的，其性能與剪力作用環(huán)境，塑性區(qū)延性要求大小有關(guān)。我們可以采取以下公式來考慮抗震抗剪的強(qiáng)度公式：其中為混凝土抗剪能力，為箍筋抗剪能力，為由于地震作用導(dǎo)致的混凝土抗剪能力下降的折減系數(shù)，且隨著剪力作用環(huán)境、延性要求而改變。我國的抗震抗剪強(qiáng)度公式也以上面公式為基礎(chǔ)的，但是為設(shè)計(jì)方便，不同的烈度區(qū)取用了相同的公式，均加固改造取為0.6，與上面提到的混凝土抗剪能力隨地震作用變化而不同的規(guī)律不一致，較為粗略。
延性對抗震來說是極其重要的一個(gè)性質(zhì)，我們加固改造要想通過抗震措施來保證結(jié)構(gòu)的延性，那么就必須清楚影響延性的因素。對于梁柱等構(gòu)件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點(diǎn)：混凝土極限壓應(yīng)變，加固改造破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。影響延性的其他因素實(shí)質(zhì)都是這兩個(gè)根本因素的延伸。如受拉鋼筋配筋率越大，混凝土受壓區(qū)高度就越大，延性越差;受壓鋼筋越多，混凝土受壓區(qū)高度越小，加固改造延性越好;混凝土強(qiáng)度越高，受壓區(qū)高度越低，延性越好(但如果混凝土強(qiáng)度過高可能會(huì)減小混凝土極限壓應(yīng)變從而降低延性);對柱子這類偏壓構(gòu)件，軸壓力的存在會(huì)增大混凝土受壓區(qū)高度，減小延性;箍筋可以提高混凝土極限壓應(yīng)變，從而提高延性，但對于高強(qiáng)度混凝土，受壓時(shí)，其橫向變形系數(shù)較一般混凝土明顯偏小，箍筋的約束作用不能充分發(fā)揮，所以對于高強(qiáng)度混凝土，不適于用加箍筋的方法來改善其延性。此外，箍筋還有約束縱向鋼筋，加固改造避免其發(fā)生局部壓屈失穩(wěn)，提高構(gòu)件抗剪能力的作用，因此箍筋對提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有相當(dāng)重要的作用。根據(jù)以上規(guī)律，在抗震設(shè)計(jì)中為保證結(jié)構(gòu)的延性，常常采用以下措施：加固改造控制受拉鋼筋配筋率，保證一定數(shù)量受壓鋼筋，通過加箍筋保證縱筋不局部加固改造壓屈失穩(wěn)以及約束受壓混凝土，對柱子限制軸壓比等。