浅谈混凝土结构抗震设计中的能力设计法

张韶宇

摘 要：本文初步总结了我国现行规范中钢筋混凝土结构抗震设计的能力设计法，提倡在设计中明确思路，主动控制破坏的次序、破坏的部位、破坏的形态，形成合理的延性抗震体系。

关键词：钢筋混凝土结构；抗震设计；能力设计法；控制

“能力设计方法”由新西兰学者首先提出，并用之于抗震规范。方法的关键在于将控制概念引入结构抗震设计，有目的地引导结构破坏机制，避免不合理的破坏形态。该方法不仅使得结构抗震性能和能力更易于掌握，同时也使得抗震设计变得更为简便明确。现行的各国抗震规范均在不同程度上采用了能力设计方法的思路。本文初步总结了我国现行规范中钢筋混凝土结构抗震设计的能力设计法。

1 结构设计方法的层次

对于一个确定的结构方案，结构设计方法一般分为三个层次（详见文献[2]）。第一层次是指安全度的考虑，采用一次二阶矩法，主要包括四个方面内容：结构安全等级和抗震等级、荷载取值和地震作用大小的计算、材料取值、分项系数和组合系数的取值。第二层次是结构内力的分析，依据受力变形情况有几何线性分析与非线性分析，依据材料特性有弹性分析和塑性分析。第三层次是构件、截面的设计和结构的细部构造设计。

2 不同设计层次上的能力保护

混凝土结构抗震设计中的能力设计法是以不同构件的受力特征和失效方式为基础，避免脆性破坏，引导结构在地震作用下形成以梁铰为主的延性耗能机构，并且使重要承重构件在其塑性铰区屈服后依靠构造措施保证承载力不降低而且有相当的塑性变形能力，从而实现抗震结构延性设计目标的方法。其基本思想是：主动控制结构的破坏按设计者预想的形式发生。具体的实现方法就是在设计过程中控制破坏的次序、破坏的部位、破坏的形态。基于反应谱的能力设计方法是我国抗震设计的基本思路，在不同设计层次上都有体现。

在设计的第一层次，能力设计法主要体现在结构抗震等级的划分和地震作用的调整两个方面。为保证结构使用的安全，不同使用功能和重要性的结构在地震作用下有不同的结构延性要求，依据“设防类别、结构类型、设防烈度、房屋高度”的不同，划分不同的抗震等级。不同的抗震等级则采用不同的地震作用计算和不同的抗震措施。抗震等级是规范中结构抗震设计全面性、控制性的指标，是方向性的指标。因为地震的复杂性、不确定性和人们现阶段分析地震作用方法的限制性，需要对计算的地震大小进行合理性的判断，必要时应进行调整。地震作用的调整主要有两个内容：①地震作用应满足楼层最小地震剪力要求，不满足时应增大地震作用。该项控制指标，主要是为了反映地面地震运动速度、位移对结构的作用影响，弥补加速度反应谱计算方法的不足。②当采用振型分解反应谱法的计算结果略小于弹性时程分析的结果时，可采取直接加大地震作用的方法，简化设计。可以看出，在第一层次上能力设计法在总体层面上既保证了设计输入时地震作用的合理性，又控制了设计结果输出的方向和结构的设计安全度。

在设计的第二层次，能力设计法主要体现在对地震作用标准值进行调整方面。具体有以下四个主要内容：①结构在“水平向”可以有多种抗侧力体系构成，不同系统有不同的能力，构成多道抗震防线。其中，作为第二道防线的结构在地震作用下应具备最基本的承载能力要求，保证大震下结构稳定并防止结构全部倒塌。该项要求必须达到，不足时应进行人为调整增大。如：框架-抗震墙结构、框架-核心筒结构中框架部分应满足最小总地震剪力要求，保证在大震作用下框架能发挥第二道防线作用。同理，板柱-抗震墙结构中板柱结构为第二道防线，也应满足最小总地震剪力要求。②带转换的结构可以看作在“竖向”由多种结构体系“混合”而成，其中转换结构构件和框支柱组成的轉换体系一般是结构下部薄弱部位，地震时破坏将引起结构整体倒塌，应保护这些转换部位，使塑性铰在转换层以上部位出现，形成合理的整体屈服机制。规范规定应将这些部位在水平地震作用下的内力标准值人为调整增大。③同一结构中，从竖向看，突出屋面的结构在地震作用下存在鞭梢效应，若采用底部剪力法分析应放大该部分的地震剪力，若采用振型分解反应谱法分析则应将该部分作为单独质点考虑。不规则的结构薄弱层应加强保护，该层地震剪力标准值应放大1.15～1.25倍。④同一结构中，从水平向看，规则不耦联结构采用放大边榀地震作用的方法考虑结构的扭转效应，不规则的结构应采用更精确分析方法考虑地震的扭转耦联效应。可以看出，在第二层次上能力设计法通过对结构不同分体系的承载能力调整和同一结构中重要部位、薄弱部位的承载能力调整，达到控制地震作用下结构体系破坏次序、破坏部位的目的。

在设计的第三层次，能力设计法主要体现在对地震作用控制的内力组合设计值的调整和对结构构件采取延性构造措施两个方面。具体有以下七个主要内容：①构件设计时应避免发生脆性剪切破坏，人为调整构件端斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力，实现“强剪弱弯”设计，如：框架梁、框架柱、剪力墙的底部加强区。②框架设计时应避免整体出现易倒塌的柱端屈服型破坏机制，人为调整柱端受弯承载力高于梁端受弯承载力，实现“强柱弱梁”。③框架结构的底层柱下端，在强震作用下虽然不可避免出现塑性铰，但希望塑性铰不要过早出现，设计时将该部位的弯矩设计值人为加大，实现“强柱根”。同时框架结构的角柱在双向地震作用下，扭转效应明显，破坏后果严重，设计时人为加大其弯矩设计值和剪力设计值。④框架结构中节点是使梁、柱组成结构的关键，在地震作用下应避免早于构件破坏，设计时采用节点剪力增大系数进行节点核芯区截面抗震验算，满足“强节点”的要求。⑤为控制剪力墙的塑性铰位置在底部出现，增大剪力墙底部加强区以上部位的剪力设计值、弯矩设计值。⑥受力复杂而且重要的转换构件（如：框支剪力墙结构中的框支柱等）的弯矩设计值、剪力设计值调整增大。⑦采用保证构件延性的构造措施，如框架梁端的混凝土相对受压区高度、竖向构件（框架柱、剪力墙）的轴压比要求等。可以看出，在第三层次上能力设计法通过人为调整构件最终配筋情况和采取各项延性构造措施，确保脆性构件和不宜用于耗能的构件（应进行能力保护的构件）处于弹性反应范围，达到控制构件破坏形态，进而控制结构破坏机制的目的。

3 基于性能的抗震设计

我国现行抗震规范中的能力设计方法本质上是基于承载力和构造保证延性的设计方法，延性设计的思想是通过对抗震能力的主动调整来实现的。但是，由于混凝土结构开裂后刚度不断变化内力重新分配，结构的变形机构和破坏机制并不能准确预测，使该方法显得比较理想化和简单。基于“力”的能力设计法对作用不同的构件采用相同的、单一的、笼统的性能指标，渐渐不能适应日益复杂的抗震设计要求，最终现代抗震学在能力设计方法的基础上发展出了基于性能的抗震设计方法。性能设计的核心思想是针对不同设防目标采用不同水准、多种参数的定量化抗震设计，目前的研究主要集中在基于位移的抗震设计方法上。我国《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》也已经有了有关性能设计的条文，这意味着我国的抗震设计方法开始向性能设计的方向进行过渡。

4 小 结

能力设计的方法不是对内力分析的结果进行“等安全度”的简单配筋设计，而是以构件的受力特征和破坏方式为基础，通过抗震设计中调整承载力和延性构造，形成“不等安全度”的结构体系，使该体系按预想形式延性破坏。在现有设计技术手段下，基于“力”的能力设计法简单、有效，“控制、调整”的设计思想仍将在结构抗震设计中继承下去。

参考文献

[1]邱明兵.建筑结构震害机理与概念设计[M].中国建筑工业出版社，2011，58～70.

[2]童根树.钢结构设计方法[M].中国建筑工业出版社，2007，2～4.

[3]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）.中国建筑工业出版社，2010.

[4]高层建筑混凝土结构技术规程（JG3-2010）.中国建筑工业出版社，2011.

[5]混凝土结构设计规范（GB50010-2010），中国建筑工业出版社，2011.

[6]叶列平.体系能力设计法与基于形态/位移抗震设计[M].建筑结构，2004.