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1、地震力作用下混凝土结构的破坏特点和抗震措施地震灾害是人类面临的严重自然灾害之一。地震具有突发性的特点,至今可预报性仍然很低。强烈地震常造成人身和财产的巨大损失。我国属地震多发国家,需要考虑抗震设防的地域辽阔,因此研究结构的抗震性能在我国具有充分的必要性。一、结构在地震下的主要特点地震以波的形式从震源(地面上的相对位置称震中)向周围快速传播，通过岩土和地基，使建筑物的基础和上部结构产生不规则的往复振动和激烈的变形。结构在地震时发生的相应运动称为地震反应，包括位移、速度、加速度。同时，结构内部发生很大的内力(应力)和变形，当它们超过了材料和构件的各项极限值后，结构将出现各种不同程度的破坏现象，例如
2、混凝土裂缝，钢筋屈服，显著的残余变形，局部的破损，碎块或构件坠落，整体结构倾斜，甚至倒塌等等。在震中区附近，地面运动的垂直方向振动激烈，且频率高，水平方向振动较弱；距震中较远处，垂直方向的振动衰减快，其加速度峰值约为水平方向加速度峰值的1213。因此，对地震区的大部分建筑而言，水平方向的振动是引起结构强烈反应和破坏的主要因素。钢筋混凝土结构在地震作用下受力性能的主要特点有：1、结构的抗震能力和安全性，不仅取决于构件的(静)承载力，还在很大程度上取决于其变形性能和动力响应。地震时结构上作用的“荷载”是结构反应加速度和质量引起的惯性力，它不像静荷载那样具有确定的数值。变形较大，延性好的结构，能够耗
3、散更多的地震能量，地震的反应就减小，“荷载”小，町能损伤轻而更为安全。相反，静承载力大的结构，可能因为刚度大、重量大、延性差而招致更严重的破坏。2、屈服后的工作阶段当发生的地震达到或超出设防烈度时，按照我国现行规范的设计原则和方法，钢筋混凝土结构一般都将出现不同程度的损伤。构件和节点受力较大处普遍出现裂缝，有些宽度较大；部分受拉钢筋屈服，有残余变形；构件表面局部破损剥落等。但结构不致倒塌。3、“荷载”低周的反复作用地震时结构在水平方向的往复振动，使结构的内力(主要是弯矩和剪力，有时也有轴力)发生正负交变。由于地震的时间不长且结构具有阻尼，荷载交变的反复次数不多(即低周)。所以，必须研究钢筋混凝
4、土构件在低周交变荷载作用下的滞回特征。4、变形大地震时结构有很大变形。例如桥墩的侧向位移等。一方面对结构本身产生不利影响，如柱的二阶(PA)效应，增大附加弯矩，甚至引起失稳或倾覆，构造缝相邻结构的碰撞等；另一方面造成非结构部件的破损，桥梁上部结构的脱落等破坏。故抗震结构设计时要控制其总变形。二、单调荷载下的延性1、材料、构件或结构的延性通常定义为在初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形的能力。它包括两个方面的能力：(1)承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力。(2)利用滞回特性吸收能量的能力。广义力一变形曲线可以概括地说明延性的概念。其中一条曲线在经过弹性变形、塑性应变之后在硬化充分
5、发展后软化；而另一条在达到其承载能力之后没有或几乎没有硬化过程而直接软化，有明显的尖峰。前者称为延性而后者称为脆性。在实际工程中判断结构的脆性或延性有重大的意义，可从延性结构的优越性加以说明：(1)破坏前有明显预兆，破坏过程缓慢，因而可采用偏小的计算安全可靠度。(2)出现非预计荷载，例如偶然超载，荷载反向，温度升高或基础沉降引起附加内力等情况下，有较强的承受和抗衡能力。(3)有利于实现超静定结构的内力充分重分布。(4)在承受动力作用(如振动、地震、爆炸等)情况下，能减小惯性力，吸收更大动能，减轻破坏程度，有利于修复。(5)延性结构的后期变形能力，可以作为各种意外情况时的安全储备。2延性指标在利
6、用延性特性设计抗震结构时，首先必须确定度量延性的量化指标。衡量结构和材料的延性一般用延性系数，其定义为：在保持结构或材料的基本承载能力的情况下，极限变形0u和初始屈服变形D，的比值，即：当广义变形D定义为具体物理量时，就有相应的延性系数，如截面曲率延性系数P构件或结构的位移延性系数B、转角延性系数B等，则：最常用的是曲率延性系数(也称曲率延性比)和位移延性系数(也称位移延性比)。曲率延性系数通常用于反映构件临界截面的相对延性，位移延性系数则用于反映构件局部或结构整体的相对延性。一般认为钢筋混凝土抗震结构要求的延性系数为B=3-4。要想更好的执行规范就必须明确抗震规范制定的基本思想，明确抗震设计
7、的基本原则。下面着重从以下几个方面做以阐述。三在地震作用下， 一味地追求结构的强度并不可取，结构的延性是非常重要的地震分为小震、中震和大震。所谓小震指的是常遇地震，50 年出现的概率大约为63 % ，重现期为50 年。中震是指50 年出现的概率约为10 % ，重现期为475 年。而大震指的是罕遇地震，50 年出现的概率为2 %3 % ，重现期为16412475 年。对于偶然性和随机性很大的地震荷载，要想使结构强度一定大于结构反应，几乎是不可能的，而且是十分不经济的。受社会承受牺牲的能力和经济制约的因素，我们只能从概率的角度出发，使结构在一定的概率保证下能安全正常地发挥作用。这就决定了抗震设计的
8、基本原则，在我国即通常所说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在“小震”作用下，要求结构不受损伤或不需修理仍可继续使用。从结构抗震分析角度来说，就是要求结构在“小震”作用下保持准弹性反应状态，而不进入使建筑物中断使用和产生非结构构件破坏的非弹性反应状态；同时结构的侧向变形应控制在合理的限制范围以内，目的是使结构具有足够的抗侧向力刚度。中震大概相当于我们的设防烈度地震，当遭遇到中震作用时，结构可以有一定程度的损坏，经修复或不经修复仍可继续使用。从经济角度来说，维修费用不能太高。对发生概率极小的罕遇大震（“大震”的烈度比设防烈度约高一度左右） .要求当结构在遭遇“大震”作用时，不应倒塌或发生危及生
9、命的严重破坏。这样一个抗震设防目标是非常经济合理的。因为地震的发生太偶然，倘使我们一味地追求结构的强度以保证中震甚至是大震作用下结构不坏，这将会使极大量的材料在绝大部分时间里，甚至在整个寿命期内都处于不能充分发挥作用的状态，这样做是不明智的。在上述设计原则指导下，就要求结构处于这样一种状况：当小震来临，应确保所有的结构构件在抵抗地震作用力时，具有足够的强度，使其基本上处于弹性状态。并通过验算小震作用下的弹性位移共同来保证结构不坏。处于这个阶段的结构构件不会发生明显的非线性变形，也不必需要采取特殊的构造措施。在中震作用下，结构的某些关键部位超过弹性强度，进入屈服，发生较大变形，达到非线形阶段，这
10、时，我们就特别提出延性要求（延性指当地震迫使结构发生较大的非线性变形时，结构仍能维持其初始强度的能力，是结构超过弹性阶段的变形能力，它是结构抗震能力强弱的标志。它包括承受极大变形的能力和靠滞回特性吸收能量的能力，它是抗震设计当中一个非常重要的特性） .当中震来临的时候，因为结构具有非弹性特征，某些关键部位超过其弹性强度，进入塑性状态。由于它有一定的延性，它的非线性能够承担塑性变形，使它在变形中能够耗费和吸收地震能量。代价是可能导致较宽的裂缝，混凝土表皮起壳、脱落，可能有一定的残余变形，但不至于导致安全失效，以达到中震可修的设防目标。处于这个阶段的结构，对延性就会提出相应的要求，而延性就要靠精心
11、设计的细部构造措施来保证。当大震来临的时候，结构的非线性变形非常大，也可能发生不可修复的破坏。处于这个阶段的结构就需要通过计算它的弹塑性变形来保证结构不致倒塌。所以，通常我们只需要按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合，验算构件截面抗震承载力及结构的弹性变形。而中震作用效应则需要结构靠一定的塑性变形能力（即延性） 来抵抗。所以结构延性对建筑抗震是极其重要的。四 地震力降低系数的大小决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小 由上所述，用于承载力设计的地震作用可以取到小震水平，当更大的地震来临的时候，则靠结构的延性去抵抗。所以，我们并不取用设防烈度地震作用力来进行结构承载力设计，而需
12、要把设防烈度地震力降低一个系数，称为地震力降低系数。地震力降低系数取得越大，设计地震作用就取得越小；地震力降低系数取得越小，设计地震作用就取得越大。在同一个设防烈度下，地震力降低系数取得越大，地震作用就越小，那么按此小的地震作用设计出来的结构的屈服水准就越低，意味着结构在相应强烈程度地震下形成的非弹性变形就越大，这就要求结构具有较大的延性来保证它较大的非弹性变形的实现，因而对延性提出的要求就更高。这一延性等级的结构即为较低设计地震力取值2较高延性要求的“高延性等级”结构。地震力降低系数取得越小，地震作用就越大，那么按此大的地震作用设计出来的结构的屈服水准就越高，意味着结构在相应强烈程度地震下形
13、成的非弹性变形就越小，这就只需要要求结构具有较小的延性来保证它较小的非弹性变形的实现，因而对延性提出的要求就越低。这一延性等级的结构即为较高设计地震力取值2较低延性要求的“低延性等级”结构。同理，在同一个设防烈度下，地震力降低系数取为中等，地震作用也为中等，因而对延性提出的要求也为中等。这一延性等级的结构即为中等设计地震力取值2中等延性要求的“中等延性等级”结构。这样，地震力降低系数的大小实际上就决定了设计地震力取值的大小，从而决定了对延性要求的大小。中国规范规定把设防烈度地震作用降低约3 倍来进行承载力设计，即设防烈度地震作用反应谱除以地震承载力降低系数3 ，而得到设计所用的反应谱。并且中国
14、规范按设防烈度从大到小对结构延性提出了从高到低的要求，具体是用抗震等级来表示，共分为一级、二级、三级、四级四个等级。初步印象是：中国的地震力降低系数的取值偏低。这似乎说明中国的地震力取值较高，因而并不需要对结构提出高延性要求。其实不然，在对比了中国和西方国家的设防地震作用反应谱曲线之后，我们发现，在中长周期范围内，西方要比中国高，也就是说，中国在较低的反应谱水平下降低3 倍，跟西方在较高的反应谱水平下降低5 倍，甚至更多之后的作用水平是相差不多的，这就说明，中国对抗震结构应提出相当于西方地震力降低系数等于5 ，甚至高一档次的高延性要求。五. 保证结构延性能力的抗震措施合理选择了结构的屈服水准和
15、延性要求后，就需要通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力，从而保证结构在中震、大震下实现抗震设防目标。系统的抗震措施包括以下几个方面内容：1.“强柱弱梁”：人为增大柱相对于梁的抗弯能力，使钢筋混凝土框架在大震下，梁端塑性铰出现较早，在达到最大非线性位移时塑性转动较大；而柱端塑性铰出现较晚，在达到最大非线性位移时塑性转动较小，甚至根本不出现塑性铰。从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力。2.“强剪弱弯”：剪切破坏基本上没有延性，一旦某部位发生剪切破坏，该部位就将彻底退出结构抗震能力，对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌。因此可以人为增大柱端、梁端、节点的
16、组合剪力值，使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏。3.抗震构造措施：通过抗震构造措施来保证形成塑性铰的部位具有足够的塑性变形能力和塑性耗能能力，同时保证结构的整体性。这一系统的抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。首先，这两种思路都是以优先引导梁端出塑性铰为前提。新西兰的抗震研究者认为耗能机构宜采用符合塑性力学中的“理想梁铰机构”，即梁端全部形成塑性铰，同时底层柱底也都形成塑性铰的“全结构塑性机构”。其具体做法是通过结构分析得到各构件组合内力值后，对梁端截面就按组合弯矩进行截面设计；而对除底层柱底以外的柱截面，则用人为增大了以后的
