高層建筑抗震的延性設計研究原則

佟 瑤 陳子光 劉本山 陳 瑤*

（1、中國地震局工程力學研究所,中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150080 2、黑龍江大學 建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱150080）

1 概述

隨著我國經濟的迅速發展,人們對建筑抗震安全的需求也日益增加,自然高層建筑結構的抗震設計就成為了當今研究的主流。地震作用下,建筑物是否安全可靠,不只是由承載能力決定的,反而更多地取決于整個結構的變形性能,以及其吸收并耗散地震能量的能力。再者,我國規范規定,抗震結構設計應以“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準設防要求為目標。

地震區的建筑物應設計為具有良好抗震性能的延性結構,防止出現脆性破壞,結構的抗震性能的本質就是結構的延性性能。雖然結構設計是以強度為基礎的,但想實現規范要求的“三水準”設防要求這一目標,單是考慮強度設計是無法到達的,抗震的鋼筋混凝土結構必須將延性結構設計要求考慮進去。

2 延性設計

2.1 多道抗震防線

延性,指結構或構件到達最大承載力后,而承載能力并沒有發生明顯下降的變形性能。在地震作用下,建筑物中的第一個屈服構件在屈服過程中吸收并耗散了大量的地震能量,它是主要的耗能構件。圖1 顯示了結構的屈服過程[1]。在屈服點Y 之前,構件處于彈性階段,在Y 點之后,部分構件先進入屈服階段（彈塑性）,直至所有構件都屈服,建筑物倒塌。Y 點之后的結構屈服并不是立即喪失承載力,而是需要重新建立新的內力平衡。Y 點是第一道防線,Y 點之后的新軸承是第二道、第三道防線……第n 道防線。

多道抗震防線能夠使結構最大限度地吸收和耗散地震能量。當地震卓越周期和場地周期相同或者相近的時候,會發生共振現象,如果建筑物有多道防線,可以有效避開或者降低共振,減輕地震災害。

地震系統應具有盡可能多的內部和外部贅余,并有意識地建立一系列分布的屈服區域。由于外部第一道防線率先承受地震的影響,原則上,不承受或承受較小軸向載荷的垂直支撐或填充墻,或軸向壓力較小的抗震墻和實心管應作為優先選擇,而軸向壓力比較大的框架柱,不應該用作墻體的抗側向力構件；第一道防線與其它不同地震防線的自然振動周期間應有明顯的差異,以減小共振的可能性。

圖1 屈服歷程、內力與位移的關系

2.2 強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件

柱是框架結構中的主要承重構件,個別柱的失效都會引起整個建筑的全面倒塌,且作為偏壓結構,柱的變形能力遠小于梁。當地震造成破壞時,我們需要保證框架具有足夠的豎向承載能力而免于或延后倒塌[2],那么就要使塑性鉸首先在梁端形成,盡量避免柱上出現塑性鉸,因為柱破壞后造成的危害更大,這樣能夠有足夠的時間疏散人員。

圖2 強柱弱梁示意圖

因此,設計時要求同一節點的上、下柱端截面極限抗彎承載力之和大于同一平面內節點左、右梁端的極限抗彎承載力之和（圖2）。

柱端的組合設計值應符合：

式中,框架彎矩增大系數ηc：一級取1.4,二級取1.2,三級取1.1。控制柱的軸壓比適中[3],保證柱有足夠的變形能力,使結構在地震作用下不發生脆性破壞,保證柱壞而不倒。

結構構件的剪切破壞[4]是脆性破壞,而適當配筋的彎曲破壞是塑性破壞,當構件有足夠的延性時,可以給管理人員足夠的時間進行加固修復或者疏散人群,在地震過程中也能有效地避免人員傷亡。為了防止結構構件發生剪切破壞,在設計時應該充分考慮構件達到極限抗彎承載力時產生的最大剪力,梁端剪力設計值應符合：

式中,框架彎矩增大系數ηv：一級取1.3,二級取1.2,三級取1.1。在梁端部塑性鉸區長度內加密箍筋可以改善梁的耗能性能。

節點是梁柱構件的公共部分,一旦節點失效,意味著和它相連接的梁和柱同時失效。因此節點的承載力不應低于其他連接構件的承載力。節點剪力設計值應符合：

式中,節點彎矩增大系數ηjb：一級取1.35,二級取1.2。

3 結論

鋼筋混凝土結構抗震設計時,關鍵點在于結構延性設計。相對結構的抗震設計而言,“概念設計”比“計算設計”更為重要[5]。采用良好的概念設計方法以及合理的結構構造措施,就可以保證建筑結構的延性性能,提高建筑物的抗震性能,達到“三水準”的設防要求。