我国建筑结构的抗震设计思路

我国建筑结构的抗震设计思路

摘要：本文综述了我国建筑结构的抗震设计方法的发展过程，通过与国外规范

的比较指出我国规范对抗震设计存在的问题。

关键词：结构设计抗震

0 引言

随着建筑结构抗震相关理论研究的不断发展，结构抗震设计思路也经历了一

系列的变化。最初，在未考虑结构弹性动力特征，也无详细的地震作用记录统计

资料的条件下，经验性的取一个地震水平作用（0.1倍自重）用于结构设计。结

构抗震设计思路经历了从弹性到非线性，从基于经验到基于非线性理论，从单纯

保证结构承载能力的“抗”到允许结构屈服，并赋予结构一定的非弹性变形性能力

的“耗”的一系列转变。

1 现代抗震设计思路及关系

在当前抗震理论下形成的现代抗震设计思路，其主要内容是：

1.1 合理选择确定结构屈服水准的地震作用。一般先以一具有统计意义的地面峰值加速度作为该地区地震强弱标志值（即中震的），再以不同的R（地震力降

低系数）得到不同的设计用地面运动加速度（即小震的）来进行结构的强度设计，从而确定了结构的屈服水准。

1.2 制定有效的抗震措施使结构确实具备设计时采用的R所对应的延性能力。其中主要包括内力调整措施（强柱弱梁、强剪弱弯）和抗震构造措施。

现代抗震设计理念是基于对结构非弹性性能的研究上建立起来的，其核心

是关系，主要指在不同滞回规律和地面运动特征下，结构的屈服水准与自振周

期以及最大非弹性动力反应间的关系。其中R为弹塑性反应地震力降低系数，简

称地震力降低系数；而μ为最大非弹性反应位移与屈服位移之比，称为位移延性

系数。

随着对地震作用规律认识的深入，这一规律已被各国规范所接受。在抗震设

计时，对在同一烈度区的同一类结构，可以根据情况取用不同的R，也就是不同

的用于强度设计的地震作用。当R取值较大，即用于设计的地震作用较小时，对

结构的延性要求就越严；反之，当R取值较小，即用于设计的地震作用较大时，

对结构的延性要求就可放松。

2 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：

2.1 “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。

2.2 “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。

2.3 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。

不需要被塑性力学的机构概念所限制，只要能在大震下实现以下的塑性耗能

机构，就能保证抗震设计的基本要求：①以梁端塑性铰耗能为主；②不限制柱

端塑性铰出现（包括底层柱底），但是通过适当增强柱端抗弯能力的方法使它在

大震下的塑性转动离其塑性转动能力有足够裕量；③同层各柱上下端不同时处于塑性变形状态。

我国的抗震措施中对耗能机构的考虑也基本遵循了这一思路，采用了“梁柱塑性铰机构”模式，而放弃了新西兰的基于塑性力学的“理想梁铰机构”模式。

抗震设计中我们为了避免没有延性的剪切破坏的发生，采取了“强剪弱弯”的

措施来处理构件受弯能力与受剪能力的关系问题。值得注意的是，与非抗震抗剪

破坏相比，地震作用下的剪切破坏是不同的。

延性对抗震来说是极其重要的一个性质，我们要想通过抗震措施来保证结构

的延性，那么就必须清楚影响延性的因素。对于梁柱等构件，延性的影响因素最

终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性

的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。在抗震设计中为保证结构的延性，

常常采用以下措施：控制受拉钢筋配筋率，保证一定数量受压钢筋，通过加箍筋

保证纵筋不局部压屈失稳以及约束受压混凝土，对柱子限制轴压比等。

3 我国抗震设计思路中的部分不足

我国在学习借鉴世界其他国家抗震研究成果的基础上，逐渐形成了自己的一

套较为先进的抗震设计思路。其中大部分内容都符合现代抗震设计理念，但是也

有许多考虑欠妥的地方，需要我们今后加以完善。

最值得我们注意的是，与国外规范相比，我国抗震规范在对关系的认识上还

存在一定的差距。欧洲和新西兰规范按地震作用降低系数（“中震”的地面运动加

速度与“小震”的地面运动加速度之比）来划分延性等级，“小震”取值越高，延性

要求越低，“小震”取值越低，延性要求越高。美国UBC规范按同样原则来划分延

性等级，但在高烈度区推荐使用高延性等级，在低烈度区推荐使用低延性等级。

这几种抗震思路都是符合规律的。而目前我国将地震作用降低系数统一取为 2.81，而且还把用于结构截面承载能力设计和变形验算的小震赋予一个固定的统计意义。对延性要求则并未按R-μ关系来取对应的，而是按抗震等级来划分，抗震等级实

质又主要是由烈度分区来决定的。这就导致同一个R对应了不同的μ，从而制定

了不同的抗震措施，这与R-μ关系是不一致的。这种思路造成低烈度区的结构延

性要求可能偏低的结果。

4 常用抗震分析方法

伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。

在结构设计中，我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。对结

构抗震性能进行分析是抗震研究的一项重要内容，非线性时程分析，非线性静力

分析是目前常用的几种抗震分析方法。它们的基本原理和步骤是先以某种方法得

到结构在可能遭遇地震作用下所对应的目标位移，然后对结构施加竖向荷载的同时，将表征地震作用的一组水平静力荷载以单调递增的形式作用到结构上，在达

到目标位移时停止荷载递增，最后在荷载中止状态对结构进行抗震性能评估，判

断是否可以保证结构在该水平地震作用下满足功能需求。

从现代抗震设计思路提出至今，世界各国的抗震学术界和工程界又取得了许