淺談鋼筋混凝土結構抗震分析方法與設計原則

莫幸豐

摘 要：近年來，世界各地高強度地震頻發，我國也未能幸免于難。通過不斷分析地震災害中建筑的主要破壞形式，以國家建筑抗震設計規范為基本依據，對鋼筋混凝土結構抗震設計主要理論進行說明并提出相關鋼筋混凝土結構抗震設計的基本原則。

關鍵詞：鋼筋混凝土 抗震 彈塑性分析 設計方法

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0065-02

地震是危及人民生命財產的一種突發式自然災害，而我國東臨環太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，這使得我國成為了世界上多地震國家之一。我國的地震活動具有震源淺、強度大、分布范圍廣、重演周期長等特點，并且位于地震區的大中城市多而其建筑物普遍抗震能力較低。因此，中國范圍內的地震通常造成的破壞較大，損失也較為慘重。如1976年7月28日的河北唐山大地震，震級7.8級，整個唐山市頃刻間夷為平地，地震共造成24萬余人死亡，重傷16.4萬人，名列20世紀世界地震史死亡人數第一。2008年5月12日的四川汶川地震，震級8.0級，造成6.9萬人死亡，37.5萬人受傷，1.8萬人失蹤，是新中國成立以來破壞力最大的地震，也是繼唐山大地震后傷亡最慘重的一次。2010年4月14日發生的7.1級青海省玉樹大地震同樣造成了2698名中國同胞遇難。這些慘重的代價中，由于建筑物抗震能力不足而倒塌破壞造成的人員損傷占了很大比例。

在唐山大地震中，唐山市內超過90%的房屋徹底倒毀，震中區的磚石混合結構全部倒塌，而有剪力墻的高層建筑和經過抗震設計的建筑破壞較少。作為一種特殊的自然災害，地震給人們帶來的破壞通常是毀滅性的。為盡量減少其帶來的損失，一個切實有效的措施就是結合現代技術進行結構抗震設計和采取加固方法。鋼筋混凝土結構作為現代主流結構形式，對其進行抗震研究及設計當然必不可少。本文將從鋼筋混凝土結構抗震理論基礎和結構抗震設計兩個方面進行簡單的介紹和探討。

1 鋼筋混凝土結構抗震分析

對結構在地震作用下的變形和破壞分析可以采用靜力彈塑性分析法即Pushover分析法。

1.1 Pushover分析法的基本原理

Pushover分析法的基本原理和基本做法是，保持施加在結構上的豎向荷載作用不變，并且沿結構的側面施加某種特定分布形式的水平荷載或位移，隨著水平方向的荷載或位移逐級增加，結構由最初的彈性狀態轉變為彈塑性狀態最后發生破壞。記錄每級加載的荷載效應下結構發生開裂、屈服、形成塑性鉸和其他結構破壞行為，通過分析來找到結構的薄弱環節和可能的破壞形式。

1.2 Pushover分析法的水平加載模式選擇

到目前為止，研究者們已經提出了很多種不同的水平加載模式，根據其是否考慮了地震過程中層慣性力的重分布，可將其分為固定模式和自適應模式。前者是指在整個水平加載的過程中，側向力的分布保持不變，因而不考慮地震過程中層慣性力的改變；后者則是指在整個水平加載過程中，根據結構動力特性的改變而不斷調整側向力的分布。

（1）均布加載模式：施加的水平荷載沿結構高度分布并且與樓層質量成正比的加載方式，屬于固定模式。適用于結構剛度和質量沿高度分布較為均勻、薄弱層為底層的結構。其數學表達式為：式中，為第層的水平荷載；為結構底部的剪力；為結構的總層數。

（2）倒三角分布水平加載模式：施加的水平荷載沿結構高度分布且與質量及高度成正比（即底部剪力法模式）的加載方式，屬于固定模式。適用于高度不大于40 m，以剪切變形為主，質量、剛度沿高度分布較為均勻，梁端出塑性鉸的結構。數學表達式為：式中，為結構第層的重力荷載代表值；為結構第層樓面距地面的高度。

（3）拋物線分布水平加載模式：施加的水平荷載沿結構高度呈拋物線分布的加載模式，屬于固定模式。它的優點在于能較好地反映該結構在地震作用下的高振型影響。數學表達式為：，

式中，其中為結構基本周期。

（4）隨振型而變的水平加載模式：基于結構瞬時振型，施加的水平荷載的分布方式由振型分解反應譜法平方與開平方（SRSS）決定，屬于自適應模式。它能考慮地震過程中的結構層慣性力分布的改變情況，因此比其他三種模式更為合理，但是其計算量相比于前三種模式也大為增加。數學表達式為：，

式中，，；其中是由SRSS得出的第層的層間剪力，與分別為第振型第層的層間剪力和水平荷載，是上一步加載的振型參與系數，是考慮的振型數，是上一步加載的第振型周期所對應的地震影響因數，是上一步加載的第振型第質點的水平相對位移。

四種水平加載模式各有其適用范圍，在結構抗震設計分析時，可以根據工程的具體情況和要求來選擇適當的水平荷載加載模式。

1.3 Pushover分析法的一般步驟

選擇好適當的水平加載模式后就可以開始分析：（1）建立結構和構件的彈塑性分析模型，施加相應的豎向荷載。（2）選擇一種合適的沿豎向分布形式的水平荷載施加于結構側面，在結構主要受力方向還要采用兩種以上不同分布方式的水平荷載逐一進行分析。（3）當施加的水平荷載使最薄弱的構件達到屈服變形時，將已屈服的構件進行剛度修正，修正后結構繼續承受持續增加的水平荷載或位移。（4）重復以上步驟，達到屈服的構件越來越多，記錄并計算每一步加載時所有構件的彈性和彈塑性變形以及內力。（5）將每一次記錄的構件內力和變形累加，得到結構構件的總內力和變形結果。（6）結構被破壞或位移超過限值是，停止施加水平荷載，并繪制結構的荷載-位移曲線。

2 鋼筋混凝土結構抗震設計

2.1 鋼筋混凝土抗震結構形式

當前我國地震內的多層和高層建筑多采用了鋼筋混凝土結構作為主體受力結構，根據建筑的高度和抗震設防烈度的不同分別采用了以下幾種形式：（1）框架結構，框架結構建筑擁有建筑平面空間布置靈活、可任意分隔房間等優點，容易滿足使用者生產生活要求，從而被廣泛應用于單層和多層民用建筑中。但是當建筑超過一定高度時，由于地震和風荷載作用，容易造成側向位移過大影響建筑的安全使用。（2）框架-抗震墻結構，由于在框架中的適當位置設置了多道側向剛度很大的鋼筋混凝土墻，地震發生所產生的水平荷載大部分被抗震墻承擔，而側向剛度較小的框架只分攤了一小部分水平剪力從而保證了整個主體結構的穩定。框架-剪力墻結構匯集了兩種結構各自的優點，在高層建筑的設計中采用該結構較為經濟合理。（3）抗震墻結構，這種結構整體性好，應對水平荷載的側向剛度大，在強度和變形方面都易滿足抗震要求。因此在分隔比較固定的高層建筑中多采用抗震墻結構。（4）框架-筒體結構、筒體結構，在超高層建筑設計中多采用這些結構。endprint

2.2 地震作用下結構和構件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結構建筑經地震作用后的構件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節點處，包括梁、柱各端點處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲。總的來說就是柱的震害比梁嚴重，而其中角柱震害重于內柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結構中的填充墻一般抗側剛度大而抗剪強度較低，地震作用下容易產生斜裂縫進而發展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現象以及由于地基液化和不均勻沉降、結構豎向剛度不均、結構之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結構抗震設計原則

2.3.1 結構體系的選擇

注意：（1）設計時應使結構自振周期避開場地特征周期，以避免發生共振現象加深震害。（2）選擇合理的基礎形式并保證基礎有足夠的埋深，盡量設置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結構布置

建筑結構布置應該盡量規則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側力構件的分布、質量和剛度分布以及承載力分布等都應該滿足規則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結構建筑應合理設計，盡量避免防震縫的設計。但當建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應該嚴格按照規范合理布置防震縫。

2.3.4 結構抗震等級的確定

《抗震規范》根據房屋設防類別、建筑場地的地震烈度、結構類型和房屋高度，將結構劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級。抗震設計時，應根據建筑的不同抗震等級，采用對應的計算方法和構造措施，使房屋結構抗震設計更加的經濟合理。

3 結語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結構的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進行對應有效的抗震設計就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學的不斷發展，更多的先進抗震技術將會應用于建筑行業，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻

[1] 建筑抗震設計規范[S].GB50011—2010.

[2] 張新培.鋼筋混凝土抗震結構非線性分析[M].北京：科學出版社，2003.

[3] 李愛群，丁幼亮.工程結構抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4] 包世華，張銅生.高層建筑結構設計和計算[M].北京：科學出版社，2005.

[5] 滕智明，朱金銓.混凝土結構及砌體結構[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結構抗震設計理論與實例[M].上海：同濟大學出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下結構和構件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結構建筑經地震作用后的構件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節點處，包括梁、柱各端點處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲。總的來說就是柱的震害比梁嚴重，而其中角柱震害重于內柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結構中的填充墻一般抗側剛度大而抗剪強度較低，地震作用下容易產生斜裂縫進而發展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現象以及由于地基液化和不均勻沉降、結構豎向剛度不均、結構之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結構抗震設計原則

2.3.1 結構體系的選擇

注意：（1）設計時應使結構自振周期避開場地特征周期，以避免發生共振現象加深震害。（2）選擇合理的基礎形式并保證基礎有足夠的埋深，盡量設置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結構布置

建筑結構布置應該盡量規則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側力構件的分布、質量和剛度分布以及承載力分布等都應該滿足規則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結構建筑應合理設計，盡量避免防震縫的設計。但當建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應該嚴格按照規范合理布置防震縫。

2.3.4 結構抗震等級的確定

《抗震規范》根據房屋設防類別、建筑場地的地震烈度、結構類型和房屋高度，將結構劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級。抗震設計時，應根據建筑的不同抗震等級，采用對應的計算方法和構造措施，使房屋結構抗震設計更加的經濟合理。

3 結語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結構的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進行對應有效的抗震設計就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學的不斷發展，更多的先進抗震技術將會應用于建筑行業，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻

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[6] 呂西林，周德源，李思明，等.建筑結構抗震設計理論與實例[M].上海：同濟大學出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下結構和構件的破壞形式

中高層鋼筋混凝土結構建筑經地震作用后的構件破壞形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱節點處，包括梁、柱各端點處的水平裂縫和斜裂縫，柱頂和柱底保護層脫落甚至箍筋被拉斷縱筋壓曲。總的來說就是柱的震害比梁嚴重，而其中角柱震害重于內柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墻的震害，框架結構中的填充墻一般抗側剛度大而抗剪強度較低，地震作用下容易產生斜裂縫進而發展為交叉裂縫最后造成填充墻倒塌。（3）抗震墻的震害，其主要表現為墻肢之間連梁的剪切破壞。（4）其他震害，包括地震時的類共振現象以及由于地基液化和不均勻沉降、結構豎向剛度不均、結構之間防震縫過窄等等原因引起的地震附加破壞。

2.3 鋼筋混凝土結構抗震設計原則

2.3.1 結構體系的選擇

注意：（1）設計時應使結構自振周期避開場地特征周期，以避免發生共振現象加深震害。（2）選擇合理的基礎形式并保證基礎有足夠的埋深，盡量設置地下室，這樣能大大減輕震害。

2.3.2 結構布置

建筑結構布置應該盡量規則、對稱。包括建筑物的外形尺寸、抗側力構件的分布、質量和剛度分布以及承載力分布等都應該滿足規則、對稱、均勻分布的要求。

2.3.3 防震縫的布置

多高層的鋼筋混凝土結構建筑應合理設計，盡量避免防震縫的設計。但當建筑突出部分較大，剛度、荷載相差懸殊以及房屋有較大錯層時，應該嚴格按照規范合理布置防震縫。

2.3.4 結構抗震等級的確定

《抗震規范》根據房屋設防類別、建筑場地的地震烈度、結構類型和房屋高度，將結構劃分為四個抗震等級，抗震要求從高到低依次為一、二、三、四級。抗震設計時，應根據建筑的不同抗震等級，采用對應的計算方法和構造措施，使房屋結構抗震設計更加的經濟合理。

3 結語

總而言之，通過對地震中鋼筋混凝土結構的破壞形式不斷了解和深入研究，對不同類型的建筑進行對應有效的抗震設計就能大大減小地震帶來的危害。隨著科學的不斷發展，更多的先進抗震技術將會應用于建筑行業，中國的房屋也會變得更加的安全可靠。

參考文獻

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