浅谈钢筋混凝土结构抗震分析方法与设计原则

莫幸丰

摘 要：近年来，世界各地高强度地震频发，我国也未能幸免于难。通过不断分析地震灾害中建筑的主要破坏形式，以国家建筑抗震设计规范为基本依据，对钢筋混凝土结构抗震设计主要理论进行说明并提出相关钢筋混凝土结构抗震设计的基本原则。

关键词：钢筋混凝土 抗震 弹塑性分析 设计方法

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0065-02

地震是危及人民生命财产的一种突发式自然灾害，而我国东临环太平洋地震带，南接欧亚地震带，这使得我国成为了世界上多地震国家之一。我国的地震活动具有震源浅、强度大、分布范围广、重演周期长等特点，并且位于地震区的大中城市多而其建筑物普遍抗震能力较低。因此，中国范围内的地震通常造成的破坏较大，损失也较为惨重。如1976年7月28日的河北唐山大地震，震级7.8级，整个唐山市顷刻间夷为平地，地震共造成24万余人死亡，重伤16.4万人，名列20世纪世界地震史死亡人数第一。2008年5月12日的四川汶川地震，震级8.0级，造成6.9万人死亡，37.5万人受伤，1.8万人失踪，是新中国成立以来破坏力最大的地震，也是继唐山大地震后伤亡最惨重的一次。2010年4月14日发生的7.1级青海省玉树大地震同样造成了2698名中国同胞遇难。这些惨重的代价中，由于建筑物抗震能力不足而倒塌破坏造成的人员损伤占了很大比例。

在唐山大地震中，唐山市内超过90%的房屋彻底倒毁，震中区的砖石混合结构全部倒塌，而有剪力墙的高层建筑和经过抗震设计的建筑破坏较少。作为一种特殊的自然灾害，地震给人们带来的破坏通常是毁灭性的。为尽量减少其带来的损失，一个切实有效的措施就是结合现代技术进行结构抗震设计和采取加固方法。钢筋混凝土结构作为现代主流结构形式，对其进行抗震研究及设计当然必不可少。本文将从钢筋混凝土结构抗震理论基础和结构抗震设计两个方面进行简单的介绍和探讨。

1 钢筋混凝土结构抗震分析

对结构在地震作用下的变形和破坏分析可以采用静力弹塑性分析法即Pushover分析法。

1.1 Pushover分析法的基本原理

Pushover分析法的基本原理和基本做法是，保持施加在结构上的竖向荷载作用不变，并且沿结构的侧面施加某种特定分布形式的水平荷载或位移，随着水平方向的荷载或位移逐级增加，结构由最初的弹性状态转变为弹塑性状态最后发生破坏。记录每级加载的荷载效应下结构发生开裂、屈服、形成塑性铰和其他结构破坏行为，通过分析来找到结构的薄弱环节和可能的破坏形式。

1.2 Pushover分析法的水平加载模式选择

到目前为止，研究者们已经提出了很多种不同的水平加载模式，根据其是否考虑了地震过程中层惯性力的重分布，可将其分为固定模式和自适应模式。前者是指在整个水平加载的过程中，侧向力的分布保持不变，因而不考虑地震过程中层惯性力的改变；后者则是指在整个水平加载过程中，根据结构动力特性的改变而不断调整侧向力的分布。

（1）均布加载模式：施加的水平荷载沿结构高度分布并且与楼层质量成正比的加载方式，属于固定模式。适用于结构刚度和质量沿高度分布较为均匀、薄弱层为底层的结构。其数学表达式为：式中，为第层的水平荷载；为结构底部的剪力；为结构的总层数。

（2）倒三角分布水平加载模式：施加的水平荷载沿结构高度分布且与质量及高度成正比（即底部剪力法模式）的加载方式，属于固定模式。适用于高度不大于40 m，以剪切变形为主，质量、刚度沿高度分布较为均匀，梁端出塑性铰的结构。数学表达式为：式中，为结构第层的重力荷载代表值；为结构第层楼面距地面的高度。

（3）抛物线分布水平加载模式：施加的水平荷载沿结构高度呈抛物线分布的加载模式，属于固定模式。它的优点在于能较好地反映该结构在地震作用下的高振型影响。数学表达式为：，

式中，其中为结构基本周期。

（4）随振型而变的水平加载模式：基于结构瞬时振型，施加的水平荷载的分布方式由振型分解反应谱法平方与开平方（SRSS）决定，属于自适应模式。它能考虑地震过程中的结构层惯性力分布的改变情况，因此比其他三种模式更为合理，但是其计算量相比于前三种模式也大为增加。数学表达式为：，

式中，，；其中是由SRSS得出的第层的层间剪力，与分别为第振型第层的层间剪力和水平荷载，是上一步加载的振型参与系数，是考虑的振型数，是上一步加载的第振型周期所对应的地震影响因数，是上一步加载的第振型第质点的水平相对位移。

四种水平加载模式各有其适用范围，在结构抗震设计分析时，可以根据工程的具体情况和要求来选择适当的水平荷载加载模式。

1.3 Pushover分析法的一般步骤

选择好适当的水平加载模式后就可以开始分析：（1）建立结构和构件的弹塑性分析模型，施加相应的竖向荷载。（2）选择一种合适的沿竖向分布形式的水平荷载施加于结构侧面，在结构主要受力方向还要采用两种以上不同分布方式的水平荷载逐一进行分析。（3）当施加的水平荷载使最薄弱的构件达到屈服变形时，将已屈服的构件进行刚度修正，修正后结构继续承受持续增加的水平荷载或位移。（4）重复以上步骤，达到屈服的构件越来越多，记录并计算每一步加载时所有构件的弹性和弹塑性变形以及内力。（5）将每一次记录的构件内力和变形累加，得到结构构件的总内力和变形结果。（6）结构被破坏或位移超过限值是，停止施加水平荷载，并绘制结构的荷载-位移曲线。

2 钢筋混凝土结构抗震设计

2.1 钢筋混凝土抗震结构形式

当前我国地震内的多层和高层建筑多采用了钢筋混凝土结构作为主体受力结构，根据建筑的高度和抗震设防烈度的不同分别采用了以下几种形式：（1）框架结构，框架结构建筑拥有建筑平面空间布置灵活、可任意分隔房间等优点，容易满足使用者生产生活要求，从而被广泛应用于单层和多层民用建筑中。但是当建筑超过一定高度时，由于地震和风荷载作用，容易造成侧向位移过大影响建筑的安全使用。（2）框架-抗震墙结构，由于在框架中的适当位置设置了多道侧向刚度很大的钢筋混凝土墙，地震发生所产生的水平荷载大部分被抗震墙承担，而侧向刚度较小的框架只分摊了一小部分水平剪力从而保证了整个主体结构的稳定。框架-剪力墙结构汇集了两种结构各自的优点，在高层建筑的设计中采用该结构较为经济合理。（3）抗震墙结构，这种结构整体性好，应对水平荷载的侧向刚度大，在强度和变形方面都易满足抗震要求。因此在分隔比较固定的高层建筑中多采用抗震墙结构。（4）框架-筒体结构、筒体结构，在超高层建筑设计中多采用这些结构。endprint

2.2 地震作用下结构和构件的破坏形式

中高层钢筋混凝土结构建筑经地震作用后的构件破坏形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱节点处，包括梁、柱各端点处的水平裂缝和斜裂缝，柱顶和柱底保护层脱落甚至箍筋被拉断纵筋压曲。总的来说就是柱的震害比梁严重，而其中角柱震害重于内柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墙的震害，框架结构中的填充墙一般抗侧刚度大而抗剪强度较低，地震作用下容易产生斜裂缝进而发展为交叉裂缝最后造成填充墙倒塌。（3）抗震墙的震害，其主要表现为墙肢之间连梁的剪切破坏。（4）其他震害，包括地震时的类共振现象以及由于地基液化和不均匀沉降、结构竖向刚度不均、结构之间防震缝过窄等等原因引起的地震附加破坏。

2.3 钢筋混凝土结构抗震设计原则

2.3.1 结构体系的选择

注意：（1）设计时应使结构自振周期避开场地特征周期，以避免发生共振现象加深震害。（2）选择合理的基础形式并保证基础有足够的埋深，尽量设置地下室，这样能大大减轻震害。

2.3.2 结构布置

建筑结构布置应该尽量规则、对称。包括建筑物的外形尺寸、抗侧力构件的分布、质量和刚度分布以及承载力分布等都应该满足规则、对称、均匀分布的要求。

2.3.3 防震缝的布置

多高层的钢筋混凝土结构建筑应合理设计，尽量避免防震缝的设计。但当建筑突出部分较大，刚度、荷载相差悬殊以及房屋有较大错层时，应该严格按照规范合理布置防震缝。

2.3.4 结构抗震等级的确定

《抗震规范》根据房屋设防类别、建筑场地的地震烈度、结构类型和房屋高度，将结构划分为四个抗震等级，抗震要求从高到低依次为一、二、三、四级。抗震设计时，应根据建筑的不同抗震等级，采用对应的计算方法和构造措施，使房屋结构抗震设计更加的经济合理。

3 结语

总而言之，通过对地震中钢筋混凝土结构的破坏形式不断了解和深入研究，对不同类型的建筑进行对应有效的抗震设计就能大大减小地震带来的危害。随着科学的不断发展，更多的先进抗震技术将会应用于建筑行业，中国的房屋也会变得更加的安全可靠。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范[S].GB50011—2010.

[2] 张新培.钢筋混凝土抗震结构非线性分析[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 李爱群，丁幼亮.工程结构抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4] 包世华，张铜生.高层建筑结构设计和计算[M].北京：科学出版社，2005.

[5] 滕智明，朱金铨.混凝土结构及砌体结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[6] 吕西林，周德源，李思明，等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海：同济大学出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下结构和构件的破坏形式

中高层钢筋混凝土结构建筑经地震作用后的构件破坏形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱节点处，包括梁、柱各端点处的水平裂缝和斜裂缝，柱顶和柱底保护层脱落甚至箍筋被拉断纵筋压曲。总的来说就是柱的震害比梁严重，而其中角柱震害重于内柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墙的震害，框架结构中的填充墙一般抗侧刚度大而抗剪强度较低，地震作用下容易产生斜裂缝进而发展为交叉裂缝最后造成填充墙倒塌。（3）抗震墙的震害，其主要表现为墙肢之间连梁的剪切破坏。（4）其他震害，包括地震时的类共振现象以及由于地基液化和不均匀沉降、结构竖向刚度不均、结构之间防震缝过窄等等原因引起的地震附加破坏。

2.3 钢筋混凝土结构抗震设计原则

2.3.1 结构体系的选择

注意：（1）设计时应使结构自振周期避开场地特征周期，以避免发生共振现象加深震害。（2）选择合理的基础形式并保证基础有足够的埋深，尽量设置地下室，这样能大大减轻震害。

2.3.2 结构布置

建筑结构布置应该尽量规则、对称。包括建筑物的外形尺寸、抗侧力构件的分布、质量和刚度分布以及承载力分布等都应该满足规则、对称、均匀分布的要求。

2.3.3 防震缝的布置

多高层的钢筋混凝土结构建筑应合理设计，尽量避免防震缝的设计。但当建筑突出部分较大，刚度、荷载相差悬殊以及房屋有较大错层时，应该严格按照规范合理布置防震缝。

2.3.4 结构抗震等级的确定

《抗震规范》根据房屋设防类别、建筑场地的地震烈度、结构类型和房屋高度，将结构划分为四个抗震等级，抗震要求从高到低依次为一、二、三、四级。抗震设计时，应根据建筑的不同抗震等级，采用对应的计算方法和构造措施，使房屋结构抗震设计更加的经济合理。

3 结语

总而言之，通过对地震中钢筋混凝土结构的破坏形式不断了解和深入研究，对不同类型的建筑进行对应有效的抗震设计就能大大减小地震带来的危害。随着科学的不断发展，更多的先进抗震技术将会应用于建筑行业，中国的房屋也会变得更加的安全可靠。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范[S].GB50011—2010.

[2] 张新培.钢筋混凝土抗震结构非线性分析[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 李爱群，丁幼亮.工程结构抗震分析[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4] 包世华，张铜生.高层建筑结构设计和计算[M].北京：科学出版社，2005.

[5] 滕智明，朱金铨.混凝土结构及砌体结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[6] 吕西林，周德源，李思明，等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海：同济大学出版社，2011.endprint

2.2 地震作用下结构和构件的破坏形式

中高层钢筋混凝土结构建筑经地震作用后的构件破坏形式主要有：（1）框架梁、柱的震害，框架的震害主要集中分布于各梁柱节点处，包括梁、柱各端点处的水平裂缝和斜裂缝，柱顶和柱底保护层脱落甚至箍筋被拉断纵筋压曲。总的来说就是柱的震害比梁严重，而其中角柱震害重于内柱，短柱震害重于一般柱。（2）填充墙的震害，框架结构中的填充墙一般抗侧刚度大而抗剪强度较低，地震作用下容易产生斜裂缝进而发展为交叉裂缝最后造成填充墙倒塌。（3）抗震墙的震害，其主要表现为墙肢之间连梁的剪切破坏。（4）其他震害，包括地震时的类共振现象以及由于地基液化和不均匀沉降、结构竖向刚度不均、结构之间防震缝过窄等等原因引起的地震附加破坏。

2.3 钢筋混凝土结构抗震设计原则

2.3.1 结构体系的选择

注意：（1）设计时应使结构自振周期避开场地特征周期，以避免发生共振现象加深震害。（2）选择合理的基础形式并保证基础有足够的埋深，尽量设置地下室，这样能大大减轻震害。

2.3.2 结构布置

建筑结构布置应该尽量规则、对称。包括建筑物的外形尺寸、抗侧力构件的分布、质量和刚度分布以及承载力分布等都应该满足规则、对称、均匀分布的要求。

2.3.3 防震缝的布置

多高层的钢筋混凝土结构建筑应合理设计，尽量避免防震缝的设计。但当建筑突出部分较大，刚度、荷载相差悬殊以及房屋有较大错层时，应该严格按照规范合理布置防震缝。

2.3.4 结构抗震等级的确定

《抗震规范》根据房屋设防类别、建筑场地的地震烈度、结构类型和房屋高度，将结构划分为四个抗震等级，抗震要求从高到低依次为一、二、三、四级。抗震设计时，应根据建筑的不同抗震等级，采用对应的计算方法和构造措施，使房屋结构抗震设计更加的经济合理。

3 结语

总而言之，通过对地震中钢筋混凝土结构的破坏形式不断了解和深入研究，对不同类型的建筑进行对应有效的抗震设计就能大大减小地震带来的危害。随着科学的不断发展，更多的先进抗震技术将会应用于建筑行业，中国的房屋也会变得更加的安全可靠。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范[S].GB50011—2010.

[2] 张新培.钢筋混凝土抗震结构非线性分析[M].北京：科学出版社，2003.

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[4] 包世华，张铜生.高层建筑结构设计和计算[M].北京：科学出版社，2005.

[5] 滕智明，朱金铨.混凝土结构及砌体结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[6] 吕西林，周德源，李思明，等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海：同济大学出版社，2011.endprint