房屋抗震結構設計論文發表期刊推薦國家級期刊《中國住宅設施》，《中國住宅設施》由中國房地產及住宅研究會主辦，建設部主管，是集經濟、技術、信息于一體，深入、生動、及時、全面的反映住宅設施市場動態及國內外住宅設 施發展狀況，面向國內外公開發行的國家級建設綜合信息類優秀期刊。國際刊號ISSN1672-5093，國內刊號CN11-5143/TU，郵發代號 82-276。

　　摘要：通常，經濟的抗震結構設計應著眼于提供適當的動力特性及結構特性，使得設計地震下的反應水平是可接受的。不同的結構類型或者功能，其最大可接受的變形值也不同。本文通過個人的多年工作經驗及相關資料探討抗震結構延性設計。

　　關鍵詞：地震,抗震,延性設計,方案

　　1前言

　　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后的非彈性變形狀態，并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。

　　在某些結構中，如細長獨立的塔樓、煙囪，或者由居中布置的核心筒和由此往外懸挑樓板組成的懸挑式建筑，這些結構的穩定性，取決于組成此結構的單個主要構件的剛度和整體性。在這些實例中，主要構件不允許屈服，設計應在彈性反應的基礎上進行。然而，對于大部分建筑物，特別是那些由剛性連接框架構件及其他多次超靜定結構組成的建筑物，比較經濟的做法是，允許一些臨界應力構件在中-強震下發生屈服。就是說建筑物應按比保證線性彈性反應要求明顯低的的力進行設計。分析和經驗表明，擁有足夠結構冗余度的結構，即使允許某些構件發生屈服，仍可以設計成能安全地經受強烈的地面運動。由于允許按此降低力的水平設計的結構在強震下發生非彈性變形，于是提出了附加要求，即需要保證屈服構件能夠在不明顯降低強度的同時，承受足夠的非彈性變形。就是說，它們必須擁有足夠的延性。這樣，當結構的強度（或者屈服強度）小于為保證線彈性反應所需的強度時，應使其有充分的延性。

　　2延性與屈服強度

　　對相同的初始基本周期T1一般觀測結果說明，在給定的地震強度和結構周期的條件下，延性需求隨結構的強度或者屈服水平的降低而提高。故一般水平或強度的增加而減少，為闡明此觀點，考慮兩個初始基本周期相同的垂直懸臂墻。這表示在相同質量及質量分布下其剛度屬性相同，如圖10-2所示（橫坐標：轉角，縱坐標：屈服水平）。

　　圖10-2延性比需求隨結構的屈服圖10-3屈服水平對延性需求的影響

　　其中，兩個結構的理想力-變形曲線分別標記為（1）和（2）分析表明，在相同的輸入運動作用下，具有相同基本周期及適當性質的結構，其最大水平位移大致相同。這種現象很大程度上是歸咎于局部加速度的減小，伴隨著因結構臨界應力部分的屈服使剛度減小，所以位移變小。由于在垂直懸臂中，基礎的轉動很大程度上決定了基礎上部各點的位移，對于墻水平或強度的增加而減少底部成鉸區的最大轉動，同樣可以觀測到大致相等的最大水平位移�？梢詮膱D10-3（(a)圖：橫坐標：水平位移；縱坐標：樓層；中上：彈性。(b)圖：橫坐標：轉動延性；縱坐標：樓層）看到，該圖表示具有同樣基本周期（T1=1.4秒），但不同屈服水平My獨立結構墻的動力分析結果。該結構是在1940年ElCentro地震波前10秒東西向分量作用下，其強度為該地震波規定的南北向分量的1.5倍。如圖10-3a所示，除了結構屈服水平很低的情況外，不同結構的最大位移基本相同。圖10-3表示其相應的延性要求，用最大位移角θmax與第一次屈服位移角θy之比表示。圖中清楚地顯示了延性需求隨屈服水平的降低而增加。圖（10-4）為獨立結構墻基礎的轉動延性需求與撓曲屈服水平及初始基本周期的關系曲線。圖中結果是由20層獨立結構墻模型在地震運動作用下的動力非線性分析取得的，共輸入6個不同頻率特性的地震波，每次持續10秒，強度為1940年ElCentro記錄地震波規定的南北向分量的1.5倍。同樣表明，延性需求隨著屈服水平降低而增加；同樣，延性需求隨著結構基本周期增長而降低。上述強度或屈服水平與延性間的關系，是規范條款對延性較低的材料或者體系提出更高的強度要求（通過指定更大的設計水平荷載）的基礎。

　　圖10-4轉動延性的需求圖10-5轉動延性與作為度量非線性變形的最大絕對轉動的關系圖

　　3懸臂墻最近研究結果

　　在最近一項由Priestley和Kowalsky所作的關于獨立懸臂墻的研究中表明，屈服曲率與屈服力矩沒有直接的比例關系；這與圖10-2所示大不相同，在他們看來會造成重大錯誤。事實上，他們已經證明，在給定的鋼材屈服應力下，屈服曲率僅僅是的墻長度的函數。當截面強度隨抗彎鋼筋的數量或軸向荷載等級的變化而變化時，墻的強度和剛度也成比例地變化。這意味著不是截面剛度，而是屈服曲率應作為基本的截面特性。由于墻的屈服曲率同墻長成反比，所以結構中長度不同的墻體不能設計成同時屈服。另外，設計的墻應與其長度的平方L2成比例，而非當前設計假定的L3。

　　應注意的是，以上發現只適用于懸臂墻。

　　4延性設計方案

　　對于“設計地震力－延性”聯合法則，我們可以一方面設計低地震力的結構，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，周期增高，設計地震力的結構增長越多，結構受到的總地震力降低也越多。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，可以取用一個小于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，若采用的設計地震力越低，結構屈服部位在屈服后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性能。

　　將設防烈度地震加速度通過地震力降低系數R（中，美等國）或結構性能系數q（歐共體，新西蘭等）折減為結構設計加速度，相當于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，通過屈服后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，采用低設計地震力的關鍵在于保證結構及構件在大震下達到所需的延性。對于地震力降低系數R或結構性能系數q，各國設計規范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性能力越大，R或q越小，則結構需要達到的延性能力越小。這樣均能實現“大震不倒”。

　　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。我國的抗震設計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于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，并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后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的屈服后變形能力好來實現“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并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）是優于方案（3）的。