楊 帆(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西省 太原市 030024)

基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

楊 帆
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西省 太原市 030024)

本文主要結(jié)合我國(guó)的地震的設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)工作，基于為國(guó)內(nèi)外有關(guān)人員對(duì)地震損傷的大量研究結(jié)果，提出了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷的“三水準(zhǔn)”新能目標(biāo)；此外，對(duì)于剪切型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提出了一系列地震損傷計(jì)算方法。

地震損傷性能；鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

近幾年我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平迅速提高，同時(shí)，我國(guó)發(fā)生了幾起大的地震災(zāi)害事故，遭受了巨大的損失，每次地震都會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厝藗兊娜松碡?cái)產(chǎn)安全造成巨大的影響。我國(guó)的建筑大部分都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了減低地震災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦挠绊懀瑢I(yè)人員基于地震損傷性能進(jìn)行了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，并且提出了“大震不倒、中震可修、小震不壞”的抗震標(biāo)準(zhǔn)，本文主要對(duì)基于地震損傷性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供一定的借鑒。

一、地震損傷性能的目的

（一）地震損傷模型

通常情況下，強(qiáng)烈地震對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)作用，結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生彈塑性變形進(jìn)會(huì)產(chǎn)生低周抗疲勞效應(yīng)，為了能夠科學(xué)地、正確地反應(yīng)彈塑性變形和低周抗疲勞效應(yīng)之間的歡喜，專業(yè)人員提出了科學(xué)的地震損傷模型，并且針對(duì)不同的混凝土結(jié)構(gòu)不同的科學(xué)家提出了不同的地震損傷模型，能夠保證工作的正常開(kāi)展。

（二）地震的震害等級(jí)和損傷指數(shù)

通常情況下，依據(jù)地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的損傷程度可以分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌五個(gè)等級(jí)。我國(guó)的專家根據(jù)唐山大地震的相關(guān)數(shù)據(jù)和調(diào)查結(jié)果，編寫(xiě)了一份報(bào)告，報(bào)告中描述了地震的震害等級(jí)如下表：

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（三）地震設(shè)防水準(zhǔn)

我國(guó)的有關(guān)部門(mén)對(duì)華北、西北和西南三個(gè)地區(qū)共45個(gè)城鎮(zhèn)的地震災(zāi)害進(jìn)行了數(shù)據(jù)調(diào)查，并且對(duì)調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了我國(guó)50年基準(zhǔn)期內(nèi)最大的地震強(qiáng)烈度的概率分布符合以下公式：

（四）地震損傷性能目標(biāo)

為了保證設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Φ卣鹪O(shè)防水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)性能水平進(jìn)行科學(xué)、合理地考慮，并有效結(jié)合我國(guó)目前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三水準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)的地震損傷性能目標(biāo)。在這個(gè)性能目標(biāo)當(dāng)中，大震、中震、小震下一般結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)為0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.9，為了保證地震作用下重要的建筑結(jié)構(gòu)還能夠具有正常的使用功能，可以將中震和大震下重要建筑結(jié)構(gòu)的損傷性能目標(biāo)提高一個(gè)等級(jí)，中震、大震下重要結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)為0～0.25,0.25～0.5，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的硬性規(guī)定可以取得以上數(shù)據(jù)的雖大值。

二、地震損傷的計(jì)算

（一）恢復(fù)力模型和參數(shù)的設(shè)定

建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)、損傷和倒塌分析工作的基礎(chǔ)就是鋼筋混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型和具體的參數(shù)，一般都是有骨架曲線和質(zhì)變規(guī)則共同確定鋼筋混凝土構(gòu)件的恢復(fù)力模型，對(duì)于剪切型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層間柱是典型的壓彎構(gòu)件，工作人員可以建立三線性恢復(fù)力模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

本文分析的耗能器主要為位移相關(guān)型，包含了金屬屈服型和摩擦型兩種類別，被動(dòng)耗能器可以和斜撐進(jìn)行串聯(lián)使用，并且這兩個(gè)部分可以合并為一個(gè)單元，合并后的單元被稱為耗能斜撐，使工作人員能夠根據(jù)合并后的單元對(duì)力和變形的關(guān)系進(jìn)行分析。金屬屈服耗能器的力和變形的關(guān)系可以用雙線性模型進(jìn)行表示和計(jì)算，該模型的特征參數(shù)包含了初始剛度、第二剛度、屈服力以及屈服位移等多個(gè)種類，并且耗能斜撐一把都是處于彈性工作的狀態(tài)。

（二）地震損傷計(jì)算

1、時(shí)程分析法

剪切型鋼筋結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可以用以下公式表現(xiàn)出來(lái)：

2、計(jì)算方法的簡(jiǎn)化

為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性和速度，計(jì)算人可以對(duì)剪切型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層地震損傷進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，主要是簡(jiǎn)化計(jì)算地震最大變形和累積滯變耗能兩個(gè)參數(shù)。

①地震最大變形：為了能夠簡(jiǎn)化計(jì)算剪切型結(jié)構(gòu)的層間地震最大位移，我國(guó)很多專家進(jìn)行了大量的研究，并且根據(jù)對(duì)研究數(shù)據(jù)的分析，我國(guó)的高小旺專家針對(duì)剪切型結(jié)構(gòu)層間地震最大位移制定了簡(jiǎn)化公式，公式如下：

如果僅僅是進(jìn)行薄弱層地震損傷性能的計(jì)算工作，則薄弱層的最大地震位移可以直接按照我國(guó)有關(guān)部門(mén)制定的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的公式和規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

②累積滯變耗能：對(duì)于剪切型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的層間累積滯變耗能和地震動(dòng)強(qiáng)度、持時(shí)以及恢復(fù)力等多種參數(shù)有密切的聯(lián)系，Nariyuki和邱法維對(duì)結(jié)構(gòu)層中累計(jì)耗能的分布情況進(jìn)行了研究，并且提出了結(jié)構(gòu)層間累積滯變耗能的簡(jiǎn)化公式，公式如下：

三、基于地震損傷性能的設(shè)計(jì)方法

（一）地震損傷直接驗(yàn)算法

為了保證上文提出的“三水準(zhǔn)”地震損傷性能目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法如下：

1、在多遇地震作用下一般結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法可以按照建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行相關(guān)計(jì)算工作，主要應(yīng)該對(duì)截面抗震驗(yàn)算和變形驗(yàn)算兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算：

2、在罕遇的地震作用下進(jìn)行薄弱層的地震損傷驗(yàn)算可以按照如下公式進(jìn)行：

（二）變形演算法

為了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠滿足“三水準(zhǔn)”地震損傷性能豬呢的抗震設(shè)計(jì)工作可以按照如下方法開(kāi)展：

1、多遇地震作用下的一般結(jié)構(gòu)和設(shè)防烈度地震作用下的重要結(jié)構(gòu)可以按照我國(guó)目前的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算和變形驗(yàn)算工作。

2、在罕遇地震的作用下進(jìn)行薄弱層的變形驗(yàn)算工作可以按照以下公式進(jìn)行：

對(duì)于一般結(jié)構(gòu)，必要時(shí)要對(duì)規(guī)范中規(guī)定的“中震可修”的目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。

結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的科技水平迅速提高，人們對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全習(xí)性的要求越來(lái)越高，本文分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震損傷性能目標(biāo)、簡(jiǎn)化計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)方法等多個(gè)方面，并且得到了以下幾個(gè)方面的結(jié)論：

1、文章提出了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷的“三水準(zhǔn)”性能目標(biāo)，該目標(biāo)能夠反映出我國(guó)實(shí)際建筑的地震設(shè)防水準(zhǔn)和建筑的結(jié)構(gòu)功能失效和倒塌的原理，并且對(duì)一般結(jié)構(gòu)和主要結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)進(jìn)行了分析，提高了建筑結(jié)構(gòu)的抗震功能。

2、工作人員可以使用時(shí)程分析法和簡(jiǎn)化計(jì)算法進(jìn)行地震損傷計(jì)算工作，文章總結(jié)了剪切型結(jié)構(gòu)地震計(jì)算的基礎(chǔ)，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)人士一定參考。

3、地震損傷性能的設(shè)計(jì)工作是保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)問(wèn)題定的基礎(chǔ)，并且不同烈度地震下的建筑地震損傷程度也不同。

[1]歐進(jìn)萍,何政,吳斌,邱法維. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于地震損傷性能的設(shè)計(jì)[J]. 地震工程與工程振動(dòng),1999,01:21-30.

[2]何政,歐進(jìn)萍. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基于改進(jìn)能力譜法的地震損傷性能設(shè)計(jì)[J].地震工程與工程振動(dòng),2000,02:31-38.

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