论结构抗震的鲁棒性

叶列平1,2,程光煜1,2,陆新征1,2,冯鹏1,2
(1.清华大学土木工程系,北京,100084; 2.结构工程与振动教育部重点实验室,北京,100084)

建筑结构/Building Structures, 2008, 38(6): 11-15.

摘要:本文首先介绍了结构鲁棒性的概念,及其提高结构鲁棒性对避免结构在罕遇地震下垮塌的重要意义。然后,分别从抗震结构体系、结构承载力与延性、结构破坏模式,以及赘余构件等几方面讨论了提高结构抗震鲁棒性的措施。
关键词:结构抗震,鲁棒性,结构体系,整体性,破坏模式,结构承载力,结构延性,赘余构件

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推荐相关阅读:《建筑抗震弹塑性分析》, 中国建筑工业出版社, 2009

Introduction of Robustness for Seismic Structures

Ye Lieping, Cheng Guangyu, Lu Xinzheng, Feng Peng

Abstract:The concept of robustness of structures is firstly introduced in this paper. And importance with enough robustness for seismic structures in preventing collapse of the structures under strong intensity earthquake attack is discussed. Then the approaches to increase the robustness of seismic structures, including structural systems, strength and ductility of structure, failure modes and redundancy, are suggested.
Keywords: seismic structure; robustness; structural systems; integrity; failure mode; strength; ductility; redundancy elements.


1. 结构鲁棒性的概念和意义

  工程结构设计通常需要满足安全性、适用性和耐久性的要求,这些都是在正常使用荷载和作用情况下结构所应具备的功能。而结构的鲁棒性(Robustness)是针对在意外荷载和作用情况下所应具备的一种功能,也即在意外荷载和作用情况下,结构不应产生与其原因不相称的垮塌,造成不可接受的重大人员伤亡和财产损失。

  鲁棒性与安全性既有联系,又有区别。首先,两者关心的都是工程结构安全问题,但结构的鲁棒性是以避免结构垮塌为目标的,可以认为是结构安全性的上限。而目前通常所说的安全性是以结构的不超过最大承载力为目标的,即按所谓"承载力极限状态"来考虑的安全性。事实上,结构达到最大承载力(极限状态)并不意味着结构的垮塌。另一方面,安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的,而鲁棒性是针对意外荷载和作用来考虑的,两者所考虑的荷载和作用的特征不同。正常荷载与作用在设计阶段能够给予充分考虑和估计,并通过合理的结构设计,可以保证结构在正常荷载和作用情况下具有足够的安全度。而意外荷载和作用,无论是其量值、作用形式、作用位置和方向,在设计阶段都难以估计,往往具有极大的随机性。对于意外荷载与作用,结构可能难以避免会产生一定程度的破坏,但如果结构具有足够的鲁棒性,则可以避免产生严重破坏和倒塌。

  由于意外荷载和作用难以估计,同时人们也不能无限制对结构的鲁棒性提出过高要求,因此鲁棒性的研究是指在结构满足正常安全度的前提下和经济许可范围内,根据可能遭遇的意外荷载和作用的类型、特征和等级,达到合理的鲁棒性目标。当意外荷载和作用超过所预期的类型和等级时,如果结构产生垮塌,则称为与其原因相称的破坏,属于"天灾"范畴。比如,在一个6度抗震设防区的建筑,如果采取合理措施(结构造价比6度设防抗震设计并没有显著增加),则可以在8度或9度地震下不产生垮塌(如唐山地震中一些采用构造柱和圈梁的砌体结构没有垮塌就是典型的例子),但若遭遇11度或以上的强烈地震导致结构垮塌,就无能为力了。

  当然,鲁棒性好的结构,其正常使用性能也会更好一些。如当采用赘余构件来增加结构的鲁棒性时,在正常使用情况下的结构刚度会更大一些,但这不能成为可以削弱主体结构构件,来取得某种经济上的收益,这种做法是违背鲁棒性原则的。
鲁棒性的研究是针对整体结构的。理论上,结构的安全性也是针对整体结构的。但目前各种结构设计规范对于结构安全性的具体计算,最终都是着落于具体的结构构件,这显然没有能够使得结构工程师更多的考虑整体结构的安全性,这是导致某些工程结构鲁棒性不够的重要原因,也是目前我国工程教育中所存在的一个重要缺失。因此,研究结构的鲁棒性,首先要从整体结构的安全性着手,使得结构工程师在满足每个具体构件的安全性要求的前提下,更多的关注整体结构的安全性。

  对于抗震结构来说,目前我国《建筑抗震设计规范GB50011-2001》规定了"小震不坏、中震可修、大震不倒"抗震设防目标。虽然"大震不倒"的设防目标属于鲁棒性范畴,但是由于设防烈度的明确规定,所谓"大震"最多只能属于罕遇地震的下限,而并非"实际大震"。由于地震具有极大的随机性,因此当遭遇比设防烈度大震更大的地震时,结构能否经受得住而不产生垮塌,就需要结构具有较高的鲁棒性。这样的事例已在多次大地震中得到验证,如1976年中国的唐山大地震、1994年日本的阪神大地震、1999年中国台湾的大地震,以及最近巴基斯坦发生的大地震。在这些大地震中,一些建筑完全垮塌,而一些建筑尽管产生一定程度的破坏,但没有倒塌。这些建筑中有些是依据同一抗震标准进行设计的,但由于鲁棒性的差别,在地震中表现出截然不同的结果。因此,只有在设计中充分考虑结构的鲁棒性,才能做到真正意义上的"大震不倒"。否则,即使按照《规范》进行抗震设计,并按《规范》考虑了"大震",也难以避免在遭遇大震时产生垮塌。

  本文讨论抗震结构的鲁棒性所说的意外荷载,就是指可能超过设防烈度所规定的"大震"的强烈地震,也就是比"大震"更大的地震。当然,本文关于抗震结构鲁棒性的讨论和提高结构鲁棒性的措施,对于避免结构在其它意外荷载和作用下的鲁棒性也具有参考意义。

  关于结构鲁棒性的表达以及如何实现结构鲁棒性设计,目前还没有建立相应的普遍可以接受的理论和方法,主要还是依靠工程经验,尤其是依靠结构工程师对结构整体性能的把握和判断。本文从结构鲁棒性的概念和原理出发,讨论和介绍增强抗震结构鲁棒性的措施。

2. 结构破坏的定义

  鲁棒性是研究结构在意外荷载和作用下产生灾害性后果的破坏,如垮塌、连续破坏、倾覆等。因此,首先需要对结构破坏有一个明确的概念。在以下讨论中,构件间的连接也作为结构中的一种特殊构件看待。根据现有的资料,对于抗震结构的破坏定义有以下几种:

(1) 以构件的破坏定义:

  结构中任一个构件的破坏即导致结构垮塌,如简支桥梁在地震中产生落桥;又如,阪神地震中长达500多米独柱支撑的高速公路桥梁因桥柱破坏而产生的整体倾覆。对于建筑结构来说,框支结构属于这种破坏类型,即框支柱的破坏即意味着结构的垮塌。

  显然,符合这种破坏定义的结构,其鲁棒性很小,也即整体结构的鲁棒性完全取决于结构中少数关键构件的鲁棒性。要提高这类结构的鲁棒性,必需提高这些关键构件的鲁棒性,或这些关键构件应具有更高的安全储备。

(2) 以结构的最大承载力定义:

  对于超静定结构,一个构件达到最大承载力,并不意味着整体结构达到最大承载力。如果先破坏的构件具有足够的延性,则整体结构的承载力在第一个构件破坏后仍然可以继续增加,但整体结构刚度有所降低,直至结构中有足够多的构件达到破坏,结构才达到最大承载力。如果结构的最大承载力与首先破坏的关键构件的最大承载力同时达到(鲁棒性小),这种破坏属于上面第(1)种结构破坏的定义。

  根据这一定义,显然达到结构最大承载力的时间与结构中首先破坏构件的时间相差越大,结构的鲁棒性就越高。这需要在结构达到最大承载力以前破坏的构件具有足够的延性,在达到结构最大承载力以前,这些构件能够在保持其承载力不显著降低的情况下具有足够的变形能力。这意味着构件的延性对提高结构鲁棒性具有重要意义。

(3) 以结构的极限变形定义:

  对于延性好的结构,在达到最大承载力后并不会立即垮塌,而是可以在保持一定承载力的情况下继续经受一定的变形,直至达到极限变形。由于结构中的次要构件(特别是赘余构件)达到极限变形后破坏退出工作(认为从结构删去)不会对结构的承载力有很大影响,因此结构的极限变形是以结构中关键构件达到极限变形来确定的。该破坏定义与上"以结构最大承载力定义"相同,只是将"结构的最大承载力"换成"结构的极限变形"。因为,结构的极限变形通常发生在结构的最大承载力之后,反映了结构破坏前的变形能力,代表结构实际破坏的极限状态。

(4) 以结构承载力降低到最大承载力的某一百分比定义:

  通常按降低15%考虑。尽管极限变形反映结构实际破坏的极限状态,但超过最大承载力后,结构的承载力随变形的增加不断降低,如果这种承载力降低发生在结构竖向承重关键构件,则会因不能继续承担上部结构自身的重量而发生垮塌。此时,采用该破坏定义更为合适。

(5) 以结构形成可变机构定义。

  在以上破坏定义中,结构构件在地震往复作用下的承载力和变形能力的劣化也需要给予考虑。

3. 抗震结构体系与鲁棒性

3.1. 明确结构体系中不同构件的作用

  从以上结构破坏定义的讨论可知,对于结构的鲁棒性来说,结构中的不同构件对于结构鲁棒性的贡献是不同。所谓关键构件是指其破坏容易引起结构大范围的破坏或垮塌的构件。英国工程师协会的一份关于高层建筑安全性的报告中指出,应加强对确认结构中关键构件的研究(Jitendra A,et al,2003)。

  相对于关键构件,结构中的次要构件是指那些破坏后不会导致整个结构严重破坏的构件。次要构件的破坏甚至不会使得结构达到最大承载力或极限变形,或不会导致结构的承载力有很大降低,或者也不会使得结构形成几何可变体系。作为一种特殊的次要构件--赘余构件,将在后面专门讨论。除关键构件和次要构件以外,其它结构构件属于一般构件。一般构件的破坏对整体结构的承载力有一定影响,但不会导致整体结构的承载力产生急剧降低。通常,一定数量的一般构件破坏后才会导致整体结构的严重破坏。

  正确区分结构在地震作用下的关键构件、一般构件和次要构件是保证结构抗震设计具有足够鲁棒性的前提。然而,目前我国的各种结构设计规范,往往都是针对一般结构构件的设计计算(实际上是针对构件的截面承载力计算的),且所有结构构件的安全度基本都是相同,这种做法违背结构鲁棒性原则,因为目前计算出的可靠度并不能直接换算成结构的破坏概率,它与结构的整体倒塌更无可比性(陈瑞金、刘西拉,1989)。从结构鲁棒性的观点来看,构件的安全度与结构的安全度完全是两回事,这一点往往被我国结构设计人员所忽视,在我国各类结构设计规范中也强调得很少。

  基于结构抗震鲁棒性原理,对于关键构件应增加其安全度,或者将关键构件设计成具有鲁棒性的构件。尽管《抗震规范》中对增加关键构件的安全度是有所体现的(如抗震等级、强柱弱梁、强连接弱构件的设计原则和方法、框支柱的承载力增大系数等),但在结构总体抗震设计原则上没有针对不同结构体系来区分关键构件,并给出相应的更高的安全度要求。不过,尽管这种区分和提高安全度要求的做法可能仅仅是概念性,然而这样的原则规定对工程师在设计时是有重要提示的。

  尽管确定关键构件有一些理论和方法(Jitendra A,et al,2003;柳承茂,刘西拉,2005),但这些理论和方法均不成熟,有些也不具有广泛性。因此,凭借工程师对整体结构的理解和把握来区分关键构件可能更为实际。以下简要说明几种典型结构体系中的关键构件:

  砌体结构--墙体

  排架结构--排架柱

  框架结构--框架柱,已采用"强柱弱梁"方法进行考虑;

  框架-剪力墙结构--剪力墙;

  框架-核心筒结构--核心筒;特别是近年来出现的钢框架-核心筒结构,核心筒的安全度应比现行规范明显提高;

  巨型框架结构--巨型框架柱。

  筒中筒结构,内外筒同等重要;束筒结构的所有筒体均同等重要。

  对于关键构件,还可以采取合理的设计,使其成为具有鲁棒性的构件,使得结构的鲁棒性得到提高。具有鲁棒性的构件实际上是将关键构件设计成一个子结构,如分体柱、钢骨混凝土柱、钢骨混凝土剪力墙(筒体)和钢管混凝土叠合柱等,都是具有鲁棒性的构件。

  综上,明确结构体系中不同构件的作用,分清它们的安全度层次,是获得高抗震鲁棒性的前提。

  需要注意的是,由于结构形式和破坏模式不同,关键构件还可分为整体型关键构件和局部型关键构件,如剪力墙属于整体型关键构件,而框支柱属于局部型关键构件。对于局部型关键构件应具有更高的安全度。通常,整体性关键构件破坏前,已有许多与其关联的次要构件先行破坏。而局部型关键构件破坏时,结构中其它构件往往尚未破坏。因此,应采用合理的结构体系,使其关键构件成为整体型关键构件。如果一个结构中有多个局部型关键构件,或因结构的特殊形式,使得大多数构件都是局部型关键构件,这样的结构其鲁棒性显然很差,最近正在新建的某电视台大楼就属于这种结构。

3.2. 尽量形成超静定结构

  结构的鲁棒性与结构的超静定次数密切相关。超静定次数也即结构鲁棒性研究所说的结构冗余度。超静定次数越多,结构的冗余度越大,鲁棒性也越高。当然,如果超静定次数都是集中于结构次要构件部分,这种冗余度增加对提高结构鲁棒性的作用不大,如框支结构,即使上部结构的冗余度再大,也不会提高结构的鲁棒性,因为此时结构的鲁棒性集中于局部型关键构件的框支部分。因此,只有对具有整体性关键构件的结构增加冗余度,才具有提高结构鲁棒性的意义。

  对于抗震结构,尽量采取措施来增加整体性关键构件及其与其关联的超静定次数,可显著提高结构抗震能力和鲁棒性。《抗震规范》中许多加强构件间连接的抗震构造措施就是为达到这个目的而规定的。通过加强构件间连接的构造措施,还可以增强结构的整体牢固性,这也将大大增强结构的鲁棒性

  在结构中增加赘余构件,也会使得结构超静定次数增加。有时,可以利用一些非结构构件来作为赘余构件。如隔墙,可以通过加强其与主体结构构件的连接,使其成为赘余构件;又如,利用结构中的一些连系梁作为赘余构件,也可以使得整体结构的超静定次数大大增加。关于专门设置赘余构件的问题在后面讨论。

  需注意的是,对于按静定边界条件设计的构件,当采取连接构造措施来提高结构的超静定次数时,应注意计算边界条件与实际边界条件的差别,对计算内力进行必要的调整。

3.3. 增强结构的整体牢固性

  结构鲁棒性大的一个重要标志,就是结构具有整体性破坏模式,而不会由于结构的局部破坏导致产生严重后果。因此,通过加强构件的连接或专门设置的某些构件来增强结构的整体性,对提高结构的鲁棒性有重要意义。如砌体结构中的圈梁和构造柱,不仅可显著提高墙体的承载力和变形能力,更重要的是使得原来较为松散的块体结构被这些圈梁和构造柱连接形成整体,极大的提高了结构的抗震鲁棒性

  增强结构的整体牢固性,一般可通过可靠的连接或增强连接构造措施来实现,如原来铰接连接改为刚结连接。对于装配式结构,加强构件间的连接构造措施特别重要,如预制楼板之间,应采取措施将板端钢筋拉结,使楼板形成整体。这种措施,通常费用增加较少,只是需要在设计中提高增强连接构造的意识,并加强施工管理即可。

  显然,整体现浇混凝土结构,由于其整体性好,因而具有较好的抗震鲁棒性。而相对于钢结构,尽管钢构件本身具有较好的延性,但如果过多的采用螺栓连接,其整体性反而较差。即使是焊接,由于焊接区域材料的强度有可能低于钢构件本身的强度,可能导致连接部位先于构件破坏,使得在罕遇地震下结构的整体性丧失。美国世贸大厦产生连续垮塌的原因之一,就是楼盖结构与框筒结构的连接薄弱。因此,结构抗震鲁棒性的好坏,不能仅仅看结构构件材料本身,更重要的是结构构件的连接。因此,增强构件连接的承载力和变形能力,使其在构件破坏前不产生破坏,即所谓"强连接、弱构件"原则,对于保证结构的整体性十分重要。

  专门设置的增强整体性构件,不仅使得结构整体牢固性得到增强,还可以使得原结构的受力特性得到很大改善,如砌体结构中设置的圈梁和构造柱。尽管这种措施的费用相对于增强连接构造措施要高一些,但对提高整个结构的鲁棒性作用很大,因为这种方法可以使得结构具有整体性破坏模式,而仅采取增强连接构造措施的方法,对改变结构的破坏模式没有很大作用。

3.4. 采用多重抗震结构体系

  结构鲁棒性大的一个重要特征是,当结构中某一构件或结构部分因损伤或破坏而完全退出工作或部分退出工作后,其原来承担的荷载和作用能够由剩余结构有效承担,也即结构具有多个有效的备选传力途径,去除一些构件(破坏)不影响结构的传力和起码的承载能力。多重抗震结构体系就是具有两个以上的整体性关键构件的结构体系,当其中的一个整体性关键构件在罕遇地震下遭受一定程度的破坏,第二个整体性关键构件依然可以使得整个结构具备一定的抗震能力。束筒结构、筒中筒结构、框架-剪力墙(筒体)结构等都是具有多重抗震体系的结构。

  当然,多重抗震结构体系中的各抗震结构子体系之间也可以根据各自的重要性程度采用不同安全度,以形成不同层次的抗震结构子体系。这样,次结构体系通常可以作为整个结构抗震的第一道防线,而主结构子体系作为整体结构的第二道、第三道等防线。

  除以上一些措施外,还有其它一些提高结构鲁棒性的措施,如增加结构的阻尼;结构计算分析模型与结构实际情况尽量做到一致等。由于地震作用属于动力作用,结构阻尼有助于减小结构的动力响应。而专门设置的阻尼构件,则通常成为结构中赘余构件。而结构计算分析模型与结构实际情况的差别,会导致结构实际受力状况和破坏承载力不能得到准确模拟,影响到结构设计结果的安全性,可能导致安全度度降低,鲁棒性减小。

4. 结构的破坏模式与鲁棒性

  由于经济的原因,人们不可能设计一个可以在任意大的罕遇地震作用下保持完好的结构。也就是说当地震强度达到一定程度时,结构总是会产生破坏的。问题是结构的破坏模式是否符合鲁棒性要求,也就是能够做到坏而不倒的目标。

  结构的破坏模式可以分为整体型破坏模式和局部型破坏模式。具有整体型破坏模式的结构有:强柱弱梁框架结构、剪力墙结构、筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等;而框支结构、砌体结构则往往容易产生局部型破坏模式,也即结构局部的损坏即可能导致整体结构的严重破坏、并造成重大灾害。

  只有对于具有整体型破坏模式的结构,提高结构鲁棒性的措施才具有实际意义。具有整体型破坏模式的结构,其结构构件的重要性层次明确,即具有整体性关键构件、一般构件、次要构件和赘余构件,次要构件和赘余构件的破坏,乃至从结构去除,都不会对整体结构的安全性有重大影响。从结构抗震耗能角度来看,整体型破坏模式的结构可以使得更多的(次要或赘余)构件破坏,有利于耗散更多的地震输入能量。

  对于普通框架结构,尽管采取了"强柱弱梁"等抗震设计概念和措施,但柱底塑性铰是难以避免的,同时由于地震作用对结构影响的随机性,其它楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性也难以避免,因此即使是按"强柱弱梁"设计的框架结构,也难以避免会出现局部型破坏模式。相比而言,剪力墙结构的破坏具有更显著的整体型破坏模式特征,这是大量震害经验显示剪力墙结构抗震性能优于框架结构的重要原因之一,而两种结构关于地震作用大小的"刚柔"之争则相对是次要的。同样,筒体结构、束筒结构、巨型框架结构等也是具有更显著的整体型破坏模式特征的结构。

  为了使得结构具有整体型破坏模式,可以将结构划分为不同的子结构。对于重要的子结构可提高其结构材料强度和承载力安全储备,并使得这些子结构对整体结构的破坏模式起到控制作用。在这方面,尼加拉瓜的美洲银行就是最典型的例子(图1),该工程外框筒和四个小核心筒成为控制整个结构破坏模式的整体型关键构件,使该结构在地震作用下具有整体型破坏模式;又如,在北京通用时代工程设计中(图2),笔者在四个角部桁架支撑部分就采用了提高安全等级的方法,以实现对结构破坏模式的整体性控制。

图1 尼加拉瓜美洲银行大厦结构平面 图2 北京通用时代1#楼
图1 尼加拉瓜美洲银行大厦结构平面
图2 北京通用时代1#楼

5. 结构的承载力和延性与鲁棒性

  结构的鲁棒性高,意味着结构有更高的安全储备。通常人们所理解的结构的安全储备,是指结构的最大承载力与使用荷载的比值。实际上,延性大小也是结构安全储备的重要组成部分。结构的延性大小反映了结构在破坏阶段的变形能力。结构和构件的延性对结构抗震的意义有以下几方面:

(1) 实际意义上结构破坏的定义是以结构达到极限变形能力为依据的。延性是结构抗破坏能力的重要指标。足够的延性能力有利于避免结构的突然倒塌。

(2) 对于超静定的结构,足够的延性有利于充分的内力重分布,有利于提高整体结构的承载力,显著增加整体结构的鲁棒性
(3) 对于地震作用,延性和滞回耗能有助于减小结构的地震动力响应。

(4) 从结构冗余度观点来看,脆性构件的破坏通常导致与该构件相关联的所有冗余度均丧失,而延性构件的破坏则不会导致与该构件相关联的所有冗余度同时丧失,即延性构件对于维持整体结构的冗余度具有重要作用。

  需引起注意的问题是,在讨论结构延性问题时,不能仅仅局限于延性系数,而要将结构的延性与结构的破坏模式联系起来。对于抗震结构来说,整体结构的延性比局部构件的延性更为重要。通常,构件的延性是保证出现塑性铰部位的变形能力和耗能能力,而结构的延性与构件的延性既有联系、又有区别,它反映的是整体结构在某种荷载下的宏观变形能力。具有整体破坏模式的结构,结构中大部分构件的延性得以充分发挥,结构的鲁棒性大;而局部破坏模式,即使局部破坏部位构件的延性很大,其结构鲁棒性也不好。因此,结构延性也只有对具有整体破坏模式的结构才具有意义。比如说,延性系数达到6的框支结构或形成柱铰机制的框架结构,其抗震性能和鲁棒性不可能好于延性系数只有3的剪力墙结构。

  长期以来,人们将承载力安全储备和变形安全储备简单的割裂,而没有从两方面同时予以考虑。即通常在讨论安全储备时往往只考虑承载力储备,而在讨论延性时又指是在承载力基本保持不变情况下的变形能力。合理的结构安全储备定义应该是,结构破坏时的承载力和变形之积与结构满足正常使用条件下的承载力和变形之积之比,即承载力储备与变形储备之积。也可以采用结构破坏时的变形能与构件满足正常使用条件下的变形能之比,即所谓能量储备(冯鹏,叶列平,2005)。

  按照上述结构安全储备定义,当一个结构承载力小,但延性大;另一个结构承载力高,但延性小,若两者的安全储备相同,其鲁棒性也相同。因此基于以上概念,提高结构的承载力和提高结构的变形能力都对提高结构的鲁棒性都具有重要意义。

  强调提高结构的承载力对鲁棒性的意义有以下几方面:

  (1) 对于关键构件,特别是整体性关键构件,提高承载力安全储备比提高变形能力安全储备更重要,因为这些构件一旦达到其屈服承载力,即使其随后的变形能力再大,也难以避免结构的整体破坏,且破坏后果往往是较严重,至少是难以修复的。而对于次要构件,增加延性则是十分重要的

  (2) 现行的结构抗震设计理论,是在传统低强材料结构的基础上发展起来的。在罕遇地震下,仍要求低强材料结构处于弹性状态是不经济的。因此,现行的结构抗震设计理论容许结构在罕遇地震下产生一定程度的损坏,以利用损坏结构构件的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量,避免结构的倒塌。随着材料技术的发展,高强结构材料已可以以合理的价格应用于工程结构,在这样的背景下,没有理由限制高强结构材料在抗震结构中的应用。高强材料的应用可以使得结构(特别是结构中的关键构件)具有更高的承载力安全储备。同时,将高强材料应用于结构中整体性关键构件,更有利于形成整体性破坏模式(对结构破坏模式的控制),增强结构的鲁棒性。如在框架结构中,如果在框架柱中采用高强钢筋,可以完全避免框架柱中出现塑性铰,形成真正意义上的梁铰破坏的整体性破坏模式。

6. 赘余构件与鲁棒性

  赘余构件是一种特殊的次要构件,对增加抗震结构的鲁棒性具有重要意义,甚至是十分重要的。许多消能减震结构,特别是采用位移型阻尼器的消能减震结构,位移型阻尼器实际上都是一种赘余构件。

  赘余构件在正常使用情况下不起作用或只起很小的作用,但在遭遇罕遇地震时,它们就能够承受地震荷载。赘余构件的破坏、甚至退出(从结构中去除)不会影响整个结构的完整性。赘余构件可以看作是结构在遭遇罕遇地震时的自动保险,即以赘余构件的损失和破坏来达到保全和避免主体结构的严重震害和破坏。虽然赘余构件的采用可能违背工程经济与简洁的概念,但作为一种特殊的安全储备,对于结构抵御不可预测的意外作用具有重要作用(M.J.N.普瑞斯特雷 等, 1999)。

  当然,赘余构件的设置应遵循一定的原则,通常要求赘余构件应先于主体结构构件破坏(即地震作用下赘余构件在结构中应具有较大的相对变形),且赘余构件应具有足够的延性,使得其破坏后仍可在一定程度上保持结构的整体性,并利用其塑性变形和滞回耗能减小结构的地震响应。从某种程度说,对于结构抗震设计,合理设置赘余构件的概念可能比计算设计更为重要。

  由于赘余构件要求先于主体结构构件破坏,因此赘余构件的安全度不应提高,反而应该降低(为此,日本近年来专门开发出低屈服强度钢材,专门用于作为结构中的缀余构件),只要在正常使用情况下,不因赘余构件的损坏而给使用者带来不适的心理影响即可,否则会适得其反。

  在实际工程中,可以将一些非结构构件作为赘余构件,并通过合理的设计,使得赘余构件先于主体结构构件破坏。而有意识的设置赘余构件则可以取得更显著的抗震效果,这些有意识专门设置的赘余构件显然增加了结构的冗余度,提高了结构的在灾害荷载下的鲁棒性

7. 结语

  本文介绍了结构鲁棒性的概念,及其提高结构鲁棒性对避免结构在罕遇地震下垮塌的重要意义。分别从抗震结构体系、结构承载力与延性、结构的破坏模式,以及赘余构件等几方面讨论了抗震结构鲁棒性和提高结构抗震鲁棒性的措施。根据本文的讨论和分析,提高抗震结构的鲁棒性措施有以下几个方面:

  (1) 抗震结构体系应具有层次性,具有整体性关键构件;

  (2) 应从承载力和延性两方面,特别是在承载力方面,提高整体性关键构件的安全储备;

  (3) 尽量采用具有多道抗震防线的结构体系,使结构在地震作用下具有整体性破坏模式;

  (4) 增加与整体性关键构件相关联的冗余度;

  (5) 设置加强结构整体性的构件,并加强构件间的连接构造措施,增强结构的整体性;

  (6) 设置专门的赘余构件。


参考文献

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2. M.J.N.普瑞斯特雷,F.塞勃勒,G.M.卡尔维 著,桥梁抗震设计与加固,袁万城等译,人民交通出版社,1999

3. 柳承茂,刘西拉,基于刚度的构件重要性评估及其与冗余度的关系,上海交通大学学报,2005年5月,39(5),746-750

4. 陈瑞金, 刘西拉,结构体系可靠性与可靠度,《工程结构可靠性》,全国第二届学术交流会,1989年,pp.43-47

5. 叶列平,康 胜,曾 勇,双重抗震结构体系,《建筑结构》,2000,Vol.30(No.4): 58-60

6. 叶列平,Asad ULLAH QAZI,马千里,陆新征,高强钢筋对框架结构抗震破坏机制和性能控制的研究,《工程抗震与加固改造》,Vol.28, No.1, 18-24

7. 冯鹏,叶列平,黄羽立,受弯构件的承载力、延性及变形性指标的研究.《工程力学》,2005,Vol.22, No.6, 28-36

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