关于建筑物抗震延性设计的思考

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关于建筑物抗震延性设计的思考

近几年，世界各地地震活动都十分频繁，经常会发生强烈的地震，从而导致建筑物损坏十分严重。受地震作用的影响，建筑物会遭到脆性及塑性损坏。因此，减少建筑物的脆性破坏，提高建筑物在地震作用下的延性是建筑物抗震设计的重要内容。本文对当前我国建筑物抗震设防的目标、延性设计概念及其重要性等进行一定的探究，并且找出国内在建筑物抗震延性设计中存在的一些问题，从而逐步完善建筑物抗震延性设计方法。希望通过本文的论述，能够为读者提供一些有价值的参考。



标签：建筑物；抗震；延性设计；重要性；问题

1 前言

抗震延性概念最早提出是在美国。建筑物抗震延性指的是建筑物结构及构件超出其弹性范围的抗震能力。在抗震设计中，基本构成要素包含强度、刚度以及延性。在经历了几次大地震之后，设计人员认识到只有强度与刚度并不能确保建筑物结构在地震中的可靠性与安全性。建筑物结构在非弹性形变中，所积累的维持建筑物结构原始强度能力更为重要，抗震延性设计是非常重要的一项工作。



2 当前我国建筑物抗震设防的目标分析

当前在我国颁布实施的《建筑抗震设计规范》中，明确指出了抗震设防的主要目标，要始终坚持“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则。即受小震作用时，结构为弹性；受中震作用时，允许部分结构构件有不严重的屈服；受大震作用时，允许结构构件屈服、破坏，但不倒塌。上述设防目标是完全符合我国当前的基本国情的，而且在实施此规范之后，加快了我国抗震事业的不断发展。众所周知，能够给人们生命与财产带来巨大损失的都是大震或是特大震，而在面临大震或是特大震时，想要使建筑物不倒塌是非常困难的。例如：汶川地震，根据有关部门的统计，在Ⅶ度设防区中，出现了11级地震，其实际地震力等同于16倍的计算地震力。在这样的地震作用下要确保房屋不倒塌，是极其困难的。同样为倒塌，主震倒塌与余震倒塌、10s倒塌与100s倒塌所死伤的人数是完全不同的。1976年唐山大地震导致24万人死亡，受伤群众为16万人，所造成的直接经济损失为30多亿元；2008年的汶川地震，丧生人数约为7万人，失踪人数约为1.8万人，受伤人数约为37万人，所造成的经济损失达到2500亿元。由上述数字我们可以看出，面对大的灾害，保护人民生命与财产安全是首要任务。因此，所有的建筑物抗震设计与抗震探究都必须以确保人民生命和财产安全为主要目的。对于小震不坏指的是要求建筑物结构在发生小震时，能够处在弹性工作状态中，对此要求，设计人员是可以通过结构计算来实现的，这是建筑物抗震设防的一个基础内。具有强大破坏力的通常为大震或者是特大震，因此，小震不坏并不是建筑物抗震设防的主要目标。事实上，抗震设防的主要目标为“中震可修，大震不倒”。尽管此目标的实现是建立在建筑物结构强度设计基础上的，但这并不仅是依靠强度设计能达到最终实现的，只有通过抗震延性设计才能实现此目标。






3 关于抗震延性设计概念的探究

延性指的是建筑物结构、构件以及材料等在强度没有明显下降时的非弹性变形即塑性变形能力。延性主要包含两方面能力：①指屈服后，强度或承载力没有显著降低时的非弹性即塑性变形能力；②指滞回特性吸收能量的耗能能力。通常结构延性的大小是用延性系数来度量的。延性系数是材料的应变、截面的曲率、构件和结构的转角或位移的屈服值与其极限值的比值，能直观的反应出塑性变形能力的大小。延性系数大，说明塑性变形能力大，强度或承载力的降低慢，从而有足够的能力吸收和耗散地震能量，避免结构倒塌；延性系数小，说明达到最大承载能力后承载力迅速降低，变形能力小，呈现脆性破坏，引起结构倒塌。延性结构或构件的耗能能力大小可以借助常用的力一变形滞回曲线的饱满度来度量。一般来说，滞回曲线饱满，其延性大，耗能能力强。通常，砌体、混凝土等为脆性材料，钢材等为延性材料，钢筋混凝土则是介于脆性与延性材料之间。



4 建筑物抗震延性设计的重要性

在实际建筑物抗震设计过程中，对建筑物结构构件延性的要求远远高于结构体系延性的要求；而关键部位的延性要求还要高于构件的延性要求。此外，只有延性材料较好，才能做出较好的延性构件，因此，在有了好的延性构件之后，便能够形成更好的延性结构体系。



5 国内抗震延性设计存在的问题

（1）根据我国颁布实施的《建筑抗震规范》，地震烈度区划图为建筑物抗震设计的依据。但是，结合某一地区某一时期发生地震情况利用统计方法所得到地震烈度区划图存在较大的安全隐患。这主要是由于地震发生实际为一地质学问题，是地壳运动释放能量的一个过程，这是和板块、地壳运动程度等有紧密关联的。而在制定地震烈度区划图时，采用的是传统统计学方法，势必会存在一定的局限性。事实上，人类有历史记载的年限和地壳运行时间相比较来说，相差甚远。地壳运动在上百万年甚至是上千万年，但是人类有历史记载时间也只有几千年。统计法的合理性是基于样本的容量的，而我们仅基于几千年的统计结果其可靠性是难以预知的。例如在唐山，Ⅵ度抗震设防区发生了7.8级地震；再如在汶川，Ⅶ度抗震设防区中，实际烈度达到了Ⅺ度，而且有些地区按照地震烈度区划图的划分，却不在抗震设防区的范围之内。由此看来，我们不惜耗费大量的成本来增强建筑物的强度，但却不能准确地确定建筑物所能够抵抗实际地震烈度的大小。所以，我们必须对建筑物抗震延性进行合理化设计。



（2）建筑物所能抵抗的地震力越大，其所需强度会越高，因此，刚度也会越大。但是，建筑物结构的自身周期和刚度是成反比关系的，也就是说刚度越大，其自震周期会越小。



由表1和图1地震影响系数曲线分析，自振周期越小，那么地震影响系数会变得越来越大，并且地震力也会慢慢变大。这样一来，便需要更大强度和刚度以




及更小的自振周期，进而再次放大地震影响系数，长此以往下去，变形成了一个恶性循环。再加上，自振周期小的房屋建筑结构和地震周期是相接近，容易产生共振效应，极易使建筑物遭受破坏。所以，只增加强度与刚度，实现建筑物抗震能力提高是存在一定缺陷的。另外，从经济性来分析，完全以强度设计来达到增强抗震设计能力是难以实现的。一般来说，建筑物的使用寿命在50～100年，假如人们不断追求建筑物结构强度，确保其在中震或大震中，结构不会出现大的损坏，这样一来，大部分材料都在其使用寿命期限之内，材料都处在不能完全发挥作用状态下，从而造成极大浪费。



（3）从本质上来分析，地震实际上为地球内部岩层释放能力的过程，其会使房屋建筑结构产生变形或者是耗能，因此，地震并不是一种力，地震为一种作用，我们简称为地震作用。正因为它是一种作用，所以，它和建筑物自身特性有紧密关联。而建筑自身的此种特性即为延性。从结构延性的定义我们便知，建筑物有较好的延性，既可以承受很大非弹性变形，又能充分利用滞回特性来吸收地震作用产生的能力。当建筑物产生塑性变形时，其自身刚度也会大大减小，而增大自振周期。结合图1，在此情况下，其地震影响系数会大大减小，或者是地震作用会大大减小，有效减轻结构抗震负担，同时地震对建筑物破坏力也会大大降低。 6



建筑物抗震延性设计的主要方法

建筑物结构的抗震延性设计，是通过概念设计和与之对应的抗震构造对策予以实现的。其具体分为三大步：①选择可接受塑性变形的机构，即选择“梁铰机构”，也就是“强柱弱梁”机构。事实上，这是为进一步提高柱的塑性变形能力，最终实现强柱弱梁机构。其具体做法为对柱截面组合弯矩乘以增大系数，或者是实际弯矩乘以增大系数；②人为增大构件的抗剪承载力，使其不会在强烈地震作用时，在没有充分发挥出结构延性之前，产生非延性的剪切破坏。其主要做法为利用剪力增大系数增大柱端、剪力墙、梁柱节点处的剪力值，同时将增大之后的剪力值作为受剪控制截面的控制条件，再进行验算与设计；③与之配套的构造措施，以确保有塑性铰部位所需的塑性转动能力与塑性耗能能力。一般做法是利用箍筋进行加密处理，再利用限制轴压比对策加以保证。



以上三步是互相关联的。其中，第二步是实现第一步措施的一个重要前提与基本保证，这是由于只有在确保塑性铰区的先期不产生剪切力，才可以确保塑性铰区塑性转动。第三步是保证第一步和第二步的物质保证。



7 结束语

综上所述，当前建筑物的抗震延性设计是以非确定性延性设计为主，再利用概念设计和建筑抗震构造等对策予以实现的。因近年来我国发生地震灾害较多，我们看到很多建筑物构件的破坏形式与按设计做出构件的设想有诸多不相一致的地方，例如存在很多强梁弱柱的破坏机制，对此类问题我们必须要进行深入的研究，确保我们的抗震设计在建筑物遭遇地震时的安全性。

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