浅议抗震设计在钢筋混凝土建筑的应用
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[摘要]在进行建筑结构设计时一定要考虑到建筑的抗震设计。为了使整个建筑工程真正达到能够减轻甚至避免地震灾害的效果，做好抗震设计是最根本的措施。文章根据有关资料以及实践经验的总结，针对钢筋混凝土建筑的抗震设计问题进行了研究和探讨。
[关键词]城市建设;钢筋混凝土建筑;抗震设防;抗震设计
地震是人类在社会发展过程中遇到的一种可怕的自然灾害。强烈地震常常以其猝不及防的突发性和巨大的破坏力给社会功能带来严重的危害，严重影响了社会经济发展、人类生存安全和社会稳定。最近全球发生了很多强震，如海地的7.3级地震、智利的8.8级地震、我国台湾高雄的6.7级地震、墨西哥的7.2级地震、印尼的7.8级地震等。我国作为发展中国家，人口稠密，建筑物抗震能力低，因此，我国的地震灾害可谓全球之最。上个世纪，全球因地震而死亡的人数为110万人，其中我国就占55万人之多，为全球的一半[1]。面对这些数据，让我们不得不在城市建设中首要注重建筑的是抗震设计，只有这样才是防御和减轻地震灾害最有效、最根本的措施。
一、地震中建筑倒塌的原因
地震作用具有较强的复杂性和随机性，要求在强烈地震作用下建筑物结构仍保持在弹性状态，而不发生破坏这是很不实际的，既安全又经济的抗震设计是允许在强烈地震作用下破坏严重，但建筑物并不会倒塌。由此可见，抗震设计的特点是依靠弹塑性变形的方式消耗地震能量，而建筑抗震设计也是根据这一原理展开的，达到的效果就是建筑物在遇到震级高于城市设防烈度的强震时而不至于倒塌。一些曾经到访过海地的工程师和建筑师日前分析了海地建筑物大量倒塌的原因，他们表示海地建筑存在重大缺陷，设计严重不符合标准，建筑材料不过关，以次充好现象严重。而有一家医院在设计上采用了钢筋混凝土结构，并特别考虑到抗震性设计，因此这家医院在此次地震中受损很小。
1.钢筋混凝土框架结构层间屈服强度有明显薄弱的楼层
钢筋混凝土框架结构建筑在整体设计上存在较大的不均匀性，正因为这些原因使得部分楼层层间屈服强度变得特别薄弱。在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，弹塑性变形急剧发展，并形成弹塑性变形集中的现象。在1976年唐山大地震中，有个13层的蒸吸塔框架，由于该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成第6层和第11层的弹塑性变形集中，导致该结构6层以上全部倒塌。
2.钢筋混凝土框架结构中柱端与节点较容易破坏
钢筋混凝土框架结构的构件一般是柱顶重于柱底，梁轻柱重，特别是角度和边柱很容易发生破坏。除剪跨比小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏，轻者发生水平或斜向断裂，严重的会发生混凝土压酥，主筋外露、压屈和箍筋崩脱。当节点核芯区无箍筋约束时，节点与柱端破坏合并加重。当柱侧有强度高的砌体填充墙紧密嵌砌时，柱顶剪切破坏严重，破坏部位还可能转移至窗洞上下处，甚至出现短柱的剪切破坏。
3.钢筋混凝土框架结构中砌体填充墙的破坏较为普遍
钢筋混凝土框架结构中砌体填充墙具有钢度大、变形能力差的特点，在地震时最先承受地震作用而遭受破坏，在八度及八度以上地震作用下，填充墙的裂缝明显加重，甚至会发生倒塌，震害规律一般是砌块墙重于砖墙，空心砌体墙重于实心砌体墙，上轻下重[2]。
二、钢筋混凝土建筑的抗震结构设计
在城市建筑中较合理的框架地震破坏机制，应该是节点基本不破坏，梁比柱屈服可能早发生或多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。简单地说应该是:框架的抗震设计应使梁、柱端的塑性铰出现尽可能分散，充分发挥整个结构的抗震能力[3]。
1.影响不同受力特征节点延性性质的主要因素
楼层破坏的全过程可以通过楼层水平地震剪力与层间位移关系来描述，在抗震设防过程中，框架结构构件进入弹塑性阶段时，构件在保持一定承载力条件下主要以弹塑性变形的方式来消耗和分解地震的能量，所以框架结构需有足够的变形能力，这样才能才起到抗震的效果。试验研究表明，强节点、强底层柱底、强柱弱梁和强剪弱弯的框架结构有较大的能量消耗能力，极限层间位移大，抗震性能也比较好。规范通过构件承载力调整办法在一定程度上可以体现上述的强弱要求，且考虑了设计者的使用方便，采用地震组合内力的抗震承载力验算表达式，只是要对地震组合内力的设计值按有关公式进行相应的调整。大量实验研究表明，影响不同受力特征节点延性性质的主要因素有相对配筋率、相对作用剪力以及贯穿节点的梁柱纵筋的粘结情况。
2. 延性框架结构的设计原则
“5.12”汶川大地震实践证明，建筑结构在大地震中要求保持足够的承载力来吸收进入塑性阶段而因地震产生的巨大能量，因为此时的结构在震中已经进入到了一个塑性阶段，很容易发生变形。所以，根据这种特点和抗震的要求，城市建设的钢筋混凝土结构建筑抗震设计均要求按延性框架结构进行设计，所以建筑结构的设计必须保证结构局部薄弱区的承载力与钢度，保证了建筑构造的整体性，延性的增加也就提高了建筑的变形能力，这样可以减少地震的破坏性从而提高了建筑的抗震能力。
在结构布置上，要保证强柱弱梁的设计原则，按扩大了的柱端抗弯承载力进行设计，理论上可将柱屈服的可能性减少。但受到各种因素，如梁的实际抗弯承载力可能增大，高振型使柱中反弯点的转移等综合因素影响，要使柱中完全避免塑性铰是比较困难的，同时为了实现强剪弱弯的要求，保证塑性铰区域的局部延性，也必须通过一定的构造措施来保证结构的延性[4]。
总结：钢筋混凝土框架结构是我国城市建设中大量存在的建筑结构形式之一，通过对往年的地震灾害损失数据研究表明：钢筋混凝土框架结构的节点与柱端的破坏较为严重，所以在这些结构的抗震设计中必须满足强剪弱弯、强柱弱梁、强节点、强底层柱底等延性设计原则。增强钢筋混凝土框架结构延性也可以提高建筑抗震性能的重要措施，所以地震区的建筑结构中也应设计成延性结构。要合理提高抗震结构的延性性能，应对抗震概念设计和钢筋混凝土框架构造措施予以重视，合适的概念设计和构造措施对钢筋混凝土框架结构的延性起着至关重要的作用，保证整个建筑物实现抗震设防，在钢筋混凝土建筑抗震设计的实践中，由于地区的不同和设计人员对规范的理解和掌握尺度的不同，造成建筑的结构布置以及计算方法上相互差异较多，在设计上也会产生较多的争议，因此抗震设计方法还需要深入研究。