鋼筋混凝土結構抗震設計規範
鋼筋混凝土結構具有堅固、耐用、防火性好等優點,在全世界範圍內都得到了認可，那麼你想知道是什麼嗎?以下是小編為你整理推薦，希望你喜歡。
1 結構設計地震力的確定
1.1 低地震力取值的可行性
到二十世紀八十年代，各國設計規範都承認這樣一個事實，就是在地震作用下，結構在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力***結構延性***，即結構在一個較小的地震下可能達到或者接近屈服狀態;而在較大的地震下，結構的若干部位將陸續進入屈服後的非彈性變形狀態，並且隨著地震力的增大，結構中進入彈塑性變形的部位增多，先進入屈服的部位彈塑性變形也增大。結構通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉換成熱能。
對於“設計地震力-延性”聯合法則，我們可以從地震力和結構相互關係上進行理解：一方面設計地震力低的結構，通過更大的非彈性變形，耗散掉更多的地震能量;另一方面結構非彈性變形越大，剛度降低越嚴重，阻尼增大，週期比高設計地震力的結構增長越多，結構受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設計過程中，在不降低構件豎向承載力、保證結構延性的前提下，可以取用一個小於設防烈度地震反應水準，作為設計中取用的地震作用。反過來講，若採用的設計地震力越低，結構屈服部位在屈服後，水平和豎向承載力不降低的前提下需要達到的非彈性變形就越大，也就需要結構有更好的延性效能。
這樣，我們就需要解決如下兩個問題：
A、如何在設防烈度地震作用與設計地震力取值之間建立恰當的聯絡;
B、如何在設計地震力與所要求的結構延性建立對應關係。
對於問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學者認為，將設防烈度地震加速度通過地震力降低係數R***中，美等國***或結構效能係數q***歐共體，紐西蘭等***折減為結構設計加速度，相當於賦予結構一個較小的屈服承載力，結構在豎向承載力不降低的情況下，通過屈服後的非彈性變形來經受更大的地震，實現“大震不倒”的目標。因而，採用低設計地震力的關鍵在於保證結構及構件在大震下達到所需的延性。對於地震力降低係數R或結構效能係數q，各國設計規範存在略為不同的處理手法，不過總體而言，R或q均為設防烈度地震作用與結構截面設計所用的地震作用的比值。
R或q越大，則要求結構達到的延效能力越大，R或q越小，則結構需要達到的延效能力越小。這樣均能實現“大震不倒”。
對於問題B，國外一般有如下三種設計方案：
***1***較高地震力——較低延性方案;
***2***中等地震力——中等延性方案;
***3***較低地震力——較高延性方案。
高地震力方案主要保證結構的承載力，低地震力方案主要保證結構的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經濟性來看，都能達到設防目標。
我國的抗震設計採用的是方案***3***即較低地震力——較高延性方案，即採用明顯小於設防烈度的小震地面運動加速度來確定結構的設計地震作用，並將它與其他荷載內力進行組合，進行截面設計，通過鋼筋混凝土結構在屈服後的地震反應過程中形成較為有利的耗能機構，使結構主要的耗能部位具有良好的屈服後變形能力，來實現“大震不倒”的目標。
當然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結構在中小地震下的性態方面，方案***3***僅僅提高結構的延性水平而結構的屈服水準並沒有明顯提高，是明顯不如方案***1***和***2***的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案***1***和***2***是優於方案***3***的。
地震動以波的形式在地下及地表傳播，由於震源特點、斷層機制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機性。要想得出地震動對於不同結構有什麼不同的反應，就需要在地震動特性與結構反應架起一座橋樑。由於地震動反應譜的形狀特徵反應了不同型別結構動力最大反應的特點，所以各工程中一般採用地震影響係數α譜曲線作為計算地震作用的依據。
我國的α譜曲線綜合考慮了烈度、震中距、場地類別、結構自振週期和阻尼比的影響。根據新修訂的中國地震動引數區劃圖，給出了抗震設防烈度***中震***下的設計基本地震加速度。通過對震級、震中距、場地類別等因素對結構反應譜的影響，抗震規範把動力放大係數取為2.25。根據統計資料，多遇地震烈度比基本烈度降低約1.55度，相當於地震作用降低0.35倍，即地震力降低係數為1/0.35≈2.8。從而得到小震時結構的設計加速度，其值與重力加速度的比值即為小震時水平地震影響係數最大值。
與其他國家相比，我國的地震力降低係數R≈2.7～2.8，其取值與紐西蘭“有限延性框架”相當***R=3***;介於歐洲共同體低延性DC“L”***R=2.5***和中延性DC“M”***R=3.75***之間;比美國的“一般框架”***R=3.5***還要略小些。
單純從R的角度來看，似乎中國規範在大震下的延性需求和其他國家相比處在“中等延性結構”水平。但是中國設防烈度下水平地面運動的峰值加速度係數的取值，要比其他各個國家的低***見下表***。結構動力放大係數相差不大，都在2.25附近，而我國的α譜曲線平臺段與其他國家相比很小，下降段較陡，造成反應譜的取值較其他國家的低，實質上中國R=2.8相當於歐共體的R=5.0左右，所以實質上，我國採用的是“較低地震力——較高延性”方案。在大震下所需要的延性需求與其他國家相比，應該屬於高延性需求。
各國規範美國UBC 1997紐西蘭NZS3101歐洲EC8中國GB50011-2001
加速度係數0.075～0.400.21～0.420.12～0.360.05～0.40
1.2 地震作用計算
隨著反應譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結構上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應譜法等方法。我國規範規定：
底部剪力法適用於高度不超過40m，以剪下變形為主且質量剛度沿高度分佈均勻的結構，以及近似單質點的結構。結構的總地震力由：
FeK=α1.Geq
確定，然後再沿高度按倒三角形分佈分配，並考慮了地震中可能頂部地震力增大的頂點附加集中力。
振型分解反應譜法適用於當前現有大多數建築結構體系。通過振型組合考慮各週期不同的振型在地震反應中的參與程度。對不進行扭轉計算的結構，先確定各振型在各質點的水平地震作用標準值，再按照公式S=surq***ΣSj^2***確定水平地震作用效應;對進行扭轉耦聯計算的結構，其樓層取兩個正交水平位移和轉角位移三個自由度，確定各振型在各樓層兩水平方向和轉角方向的地震作用標準值，按
S=surq[Sx^2+***0.85 Sy***^2] 或S=surq[Sy^2+***0.85 Sx***^2]
來確定水平地震作用效應。
規範同時還規定，對特別不規則的建築，甲類建築，規範表5.1.2-1所列高度範圍的高層建築，應用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，可取多條時程曲線計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。另外，一般彈性時程法分析的結果有利於判斷薄弱層部位。
對於9度地區高層建築考慮豎向地震力，採取與底部剪力法類似的方法，只是豎向地震力的取值約為水平地震力取值的0.57倍左右。
對於長週期結構，地震作用中的地面運動加速度和位移可能對結構具有更大的影響，而振型分解反應譜法無法對此作出估計，新規範同時還增加了樓層水平地震剪力最小值的要求，見抗震規範5.2.5條。
2 結構抗震變形驗算
抗震設防三水準的要求是通過兩階段設計來保證的：
***1***多遇地震下的承載力驗算，建築主體結構不受損，非結構構件沒有過重破壞保證建築正常使用功能;
***2***罕遇地震作用下建築主體結構遭遇破壞，但不倒塌。
結構抗震變形驗算是兩階段設計很重要的內容。
第一階段設計，變形驗算以彈性層間位移角表示。以保證結構及非結構構件不開裂或開裂不明顯，保證結構整體抗震效能。新規範增加了變形驗算的範圍，對以彎曲變形為主的高層建築可以扣除結構的整體彎曲變形，因為這部分位移對結構而言是無害位移，只是人的舒適度感覺不同而已，
第二階段的變形驗算為罕遇地震下薄弱層彈塑性變形驗算，以彈塑性層間位移表示。根據震害經驗、實驗研究和計算結果分析提出了構件和節點達到極限變形時的層間極限位移角，防止結構薄弱層彈塑性變形過大引起結構倒塌。規範對驗算的範圍有明確規定，但考慮到彈塑性變形計算的複雜性和缺乏實用軟體，對不同建築有不同要求。在以後發展中可以把驗算範圍推廣到更大，甚至可以基於位移控制法來設計結構，滿足某些型別的建築對結構位移的特殊要求，來保證結構的位移在可接受範圍。
需要說明的是，現階段的位移控制和抗震設計還限於單一地震下結構的反應。如何有效考慮在地震高發區及多次地震下累積損傷對結構變形和抗震效能的影響，保證結構整個壽命期內的安全，需要進一步的研究。
3 以框架結構為例談抗震概念設計
由於建築抗震設計的複雜性，在實際工程中抗震概念設計就顯得尤為重要。它主要包括以下內容：建築設計應注意結構的規則性;選擇合理的建築結構體系;抗側力結構和構件的延性設計。
下面以框架為例重點介紹抗震概念設計中的能力設計法***capacity design***。
能力設計法是結構延性設計的主要內容，包括我國規範的內力調整和構造兩個方面。它是二十世紀70年代後期，紐西蘭知名學者T.Paulay和Park提出的鋼筋混凝土結構在設計地震力取值偏低的情況下具有足夠延性的方法。其核心思想為：
***1***通過“強柱弱樑”引導結構形成“樑鉸機構”或者“樑柱鉸機構”;
***2***通過“強剪弱彎”避免結構在達到預計延效能力前發生剪下破壞;
***3***通過必要構造措施使可能形成塑性鉸的部位具有必要的塑性轉動能力和耗能能力。
通過以上三個方面保證使結構具有必要的延性。
框架結構作為常見的結構形式，其延性設計也主要是從這三個方面來體現的。
3.1 強柱弱樑
結構動力反應分析表明，結構的變形能力和破壞機制有關。常見有三種典型的耗能機構，“樑鉸機構”、“柱鉸機構”、“樑柱鉸機構”。
“樑鉸機構” 和“樑柱鉸機構”的樑先屈服，可使整個框架有較大的內力重分佈和能量消耗能力，極限層間位移大，塑性鉸數量多，不因個別塑性鉸失效而結構整體失效。因而抗震效能好，是鋼筋混凝土理想的耗能機構。我國規範採用的是允許柱子、剪力牆出鉸的樑柱鉸方案，採取相對的“強柱弱樑”措施，推遲柱子的出鉸時間。但不能完全排除出現薄弱層的柱鉸機構的可能性，因而需要限制柱子的軸壓比，必要時通過時程分析法判斷結構的薄弱層，防止出現柱鉸機構。
我們常見的“強柱弱樑”的調整措施，就是要人為增大柱子的抗彎能力，誘導在樑端先出現塑性鉸。這是考慮到柱中實際彎矩在地震中的可能增大。在結構出現塑性鉸之前，結構構件因拉區混凝土開裂和壓區混凝土的非彈性性質，鋼筋與混凝土之間的粘結退化，使得各構件剛度降低。樑剛度降低較受壓的柱子相對嚴重，結構由最初的剪下型變形向剪彎形變形過渡，柱內的彎矩較樑端的彎矩比例增大;同時結構的週期加長，影響到結構各振型的參與係數的大小;地震力系數發生變化，導致部分柱子彎矩增大，由於構造原因及設計中鋼筋的人為增大，使得樑的實際屈服強度提高，從而使得樑出現塑性鉸時柱內彎矩增大。結構出現塑性鉸之後，同樣有上述原因的存在，而且結構屈服後的非彈性過程就是地震力進一步增大的過程，柱彎矩隨地震力的增大而增大。地震力引起的傾覆力矩改變了柱內的實際軸力。我們規範中的軸壓比限值一般能保證柱子在大偏壓的範圍內，軸力的減小也能導致柱子屈服能力的降低。
抗震規範規定：除框架頂層和柱軸壓比小於0.15者及框支樑與框支柱以外，柱端彎矩設計值應符合：ΣMc=ηcΣMb;
ηc分別為一級取1.4，二級取1.2，三級取1.1;9度及一級框架結構尚應符合：ΣMc=1.2ΣMbua，
Mbua根據實配鋼筋面積及材料強度標準值確定。底層柱軸力大，塑性轉的能力差，為避免柱腳出鉸後壓潰，一、二、三級框架結構底層，柱端截面組合彎矩設計值分別乘以增大系數1.5，1.25和1.15。角柱的調整後的組合彎矩尚應乘以不小於1.10的係數。對一級抗震等級的剪力牆肢截面組合彎矩設計值進行調整，迫使塑性鉸出現在牆肢底部加強部位，底部加強部位及以上一層彎矩設計值取牆肢底部截面組合彎矩設計值，其它部位乘以1.2的增大系數。對部分框支抗震牆結構，一、二級框支柱的柱上端和底層柱下端，其組合彎矩設計值應分別乘以增大系數1.5和1.25。
以上“強柱弱樑”的調整措施，經過非線性動力反應分析表明，基本滿足大震不倒地要求。在7度區，樑的鋼筋由重力荷載控制，柱的鋼筋基本由最小配筋率控制。全面增大了柱樑相對抗彎能力。同時，7度區很難出現正彎矩塑性鉸，對抵抗大震起到有利作用。在9度區，採用實配鋼筋面積和材料強度標準值計算柱內彎矩，構造上樑鋼筋的增大同樣導致柱內彎矩設計值的增大，在多波輸入下，樑端塑性鉸轉動大，發展較充分，柱端塑性鉸發展不充分，轉動較小。塑性變形更多集中與樑端，滿足抗震能力設計要求。對8度區，其大震位移反應同9度差不多，但柱端塑性鉸較9度多，轉動大，樑端塑性鉸出現充分但轉動小，因而“強柱弱樑”效果不明顯，有關專家建議8度二級抗震等級時，彎矩增大系數宜取1.35，這有待進一步的完善。
3.2 強剪弱彎
“強剪弱彎”是為了保證塑性鉸截面在達到預期非彈性變形之前不發生剪下破壞。就常見的結構而言，主要表現在樑端、柱端、剪力牆底部加強區、剪力牆洞口連樑端部、樑柱節點核心區。與非抗震相比，增強措施主要表現在提高作用剪力;調整抗剪承載力兩個方面。
3.2.1 作用剪力
一、二、三級框架樑和抗震牆中跨高比大於2.5的連樑，剪力設計值：V=ηvb***Mbl+Mbr***/ln+VGb
其中，ηvb一級取1.3，二級取1.2，三級取1.1;一級框架結構及9度尚應符合：V=1.1***Mbl+Mbr***/ln+VGb;
一、二、三級框架柱和框支柱，剪力設計值：V=ηvc***Mcb+Mct***/Hn
其中，ηvc一級取1.4，二級取1.2，三級取1.1;一級框架結構及9度尚應符合：V=1.2***Mcb+Mct***/Hn;
一、二、三級抗震牆底部加強部位，剪力設計值：V=ηvwVw
其中，ηvw一級取1.6，二級取1.4，三級取1.2;9度尚應符合：V=1.1Mwua•Vw/Mw。
樑柱節點，一、二級抗震等級進行節點核心區抗震受剪承載力驗算，三四級應符合抗震構造措施，對9度設防及一級抗震等級的框架結構，考慮到樑端已出現塑性鉸，節點的剪力完全由樑端實際屈服彎矩決定，按樑端實配鋼筋面積和材料強度標準值計算，同時乘以1.15的增大系數。其它一級按樑端彎矩設計值計算，剪力增大系數為1.35，二級為1.2。
3.2.2 抗剪公式
國內外低周反覆荷載作用下鋼筋混凝土連續樑及懸臂樑受剪承載力實驗表明，混凝土剪壓區剪下強度的降低、斜裂縫間骨料咬合力及縱筋暗銷力的降低是樑受剪承載力降低的主要原因。規範對混凝土的受剪承載力降為非抗震的60%，鋼筋項沒有降低。同樣，對偏壓柱受剪承載力實驗表明，反覆載入使柱受剪承載力降低10%～30%，主要由混凝土項引起，採取與樑相同的作法。對剪力牆的實驗表明，其反覆載入比單調載入受剪承載力降低15%～20%，採用非抗震受剪承載力乘以0.8的折減係數。樑柱節點的抗震受剪承載力由混凝土斜壓桿和水平箍筋兩部分受剪承載力組成，有關專家給出了相關公式。
為了防止樑、柱、連樑、剪力牆、節點發生斜壓破壞，我們對受剪截面規定了受剪承載力上限，即規定了配箍率的上限值。
通過非彈性動力反應分析表明，以上措施基本滿足強剪弱彎的要求。由於二級抗震等級樑柱在大震下塑性轉動仍很大，有關專家建議剪力增大系數不宜比一級相差過大，對樑取1.25較好，對柱宜取1.3～1.35。其取值的合理性有待於進一步完善。
需要說明的是，樑柱節點受力非常複雜，要保證樑柱鋼筋在節點中的可靠錨固，同時在樑柱端發生抗彎破壞前，節點不發生剪下破壞，其實質應屬於“強剪弱彎”的範疇。而且，節點僅對一、二級抗震等級的剪力進行調整，其增大系數比柱的要小，構造措施也比柱端弱些。因而，“更強節點”的說法，不值得提倡。
3.3 構造措施
構造措施是樑、柱、剪力牆塑性鉸區要達到實際需要的塑性轉動能力和耗能能力的保證。它與“強剪弱彎”、“強柱弱樑”相互關聯，一起保證結構的延性。“強剪弱彎”是保證塑性鉸轉動能力和耗能能力的前提;“強柱弱樑”的嚴格程度，影響相應的構造措施，若實行嚴格的“強柱弱樑”，保證柱子除底部外不出現塑性鉸，相應的軸壓比等構造措施就要鬆些。我國採取相對的“強柱弱樑”，延緩柱子出鉸的時間，所以需要採取較嚴的構造措施。
3.3.1 樑的構造措施
樑塑性鉸截面的延性與很多因素有關，截面延性隨受拉鋼筋配筋率及屈服強度的提高而降低;隨受壓鋼筋配筋率和混凝土強度提高而提高，隨截面寬度增大而增大;塑性鉸區的箍筋可以防止縱筋的壓屈、提高混凝土極限壓應變、阻止斜裂縫的開展、抵抗剪力，充分發揮塑性鉸的變形和耗能能力;樑高跨比越小，剪下變形比例越大，易發生斜裂縫破壞，使延性降低。樑縱筋配箍率過低，樑開裂後鋼筋可能屈服甚至拉斷。因而，規範對於樑縱筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密區長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率都有嚴格規定。為了抵抗樑端可能的正彎矩，保證截面延性，對樑端拉壓鋼筋面積比作出了限制。同時，還對樑的最小寬度、跨高比、高寬比做了規定。
3.3.2 柱的構造措施
柱為壓彎型受力構件，軸壓比對延性及耗能性影響較大。軸壓比小時，柱子發生大偏壓破壞，構件變形大，延性好，但耗能性降低;隨軸壓比的增大，耗能性增大，但是延性急劇下降，而且箍筋對延性的幫助減小。我們對於採用低地震力設計的柱子，主要保證其延性，而耗能性放到第二位。規範對軸壓比作出了限制，一般能保證在大偏壓的範圍內。箍筋同樣也對延性起到很大的作用，約束縱筋、提高混凝土壓應變、阻止斜裂縫發展。柱一般為對稱配筋，其縱筋配筋率越大，柱子屈服時變形越大，延性越好。因而對柱子的縱筋最小配筋率、箍筋加密區長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率做出了嚴格規定。同時對柱子的高寬比、剪跨比、截面最小高度、寬度做出了規定，以提高抗震效能。
3.3.3 節點構造措施
節點作為樑柱鋼筋的錨固區，對結構效能影響很大。為保證在地震和豎向荷載作用下，節點核心區剪壓比偏低時為節點核心區提供必要的約束，保持節點在不利情況下的基本抗剪能力，使樑柱縱筋可靠錨固，對節點核心區的箍筋最大間距、最小直徑、體積配箍率做出了規定。樑柱縱筋在節點的可靠錨固是節點構造措施的主要內容。規範對樑筋過中節點的直徑;對樑柱縱筋錨固長度;錨固方式都有詳細的規定。
3.3.4 剪力牆構造措施
為保證剪力牆的延性和耗能能力，為牆肢提供約束，防止出現大的裂縫，規範對剪力牆的邊緣構件做出了詳細規定;同時也對剪力牆的軸壓比作出了限制;為保證剪力牆的承載力和側向剛度，對剪力牆提出了最小牆厚的要求;為防止斜拉剪下破壞，限制斜裂縫的發展，減小溫度收縮裂縫，對剪力牆的水平、豎向分佈筋的最小配筋率、最大間距、最小直徑做出了規定。
綜上所述;框架結構主要就是通過計算和構造措施來實現“追求樑鉸機構的能力設計方案”從而，進而實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防目標的。