基于延性抗震设计的能力设计原则概述

摘要:本文就基于延性抗震的能力设计原则作了介绍。能力设计原则最大优势在于他可以确保结构具有预知和满意的延性性能，从而最大限度的避免地震动的不确定性，使结构具有最大可靠度保证意义上的防止倒塌能力

关键词: 延性抗震；能力设计原则；发展

中图分类号：TU973+.31文献标识码：A

目前，各国的抗震设计规范仍都采用基于强度的设计方法，并利用结构的延性能力来弥补结构强度的不足，期望在结构容许的变形范围内充分发挥其塑性耗能的能力，来抵御地震作用。与弹性变形相比,过大的塑性变形会使结构开裂,混凝土脱落,甚至破坏；但另一方面,由于弹塑性阶段的结构刚度降低,改变了结构的地震反应特性,非弹性的不可恢复变形可以耗散输入的地震能量,从而减小地震对结构的作用; 在非线性状态下,结构是否破坏将取决于塑性变形能力或耗散能量的能力,而不取决于强度,强度条件并不能恰当地估价结构的抗震能力。如何有效地利用结构非线性变形的耗能能力,同时结构又不会产生过大的强度损失和过大的塑性变形,避免开裂太大而不易修复或破坏,就必须对结构的弹塑性变形特性及破坏机理作深入的研究,进行结构延性抗震设计,以减轻甚至避免震害的产生。

在近年来发生的几次大地震中,桥梁结构的震害严重,如1971年圣费尔南多地震（图2）中,许多新建桥梁遭到不同程度的破坏。在1976年我国唐山大地震（图3）中,桥梁大多毁坏或严重破坏；同样在1994年洛杉矶大地震（图4）和1995年阪神大地震（图5）中,许多高架桥严重破坏。所有这些都说明了桥梁结构的抗震设计存在许多不足, ,也说明延性设计在目前规范中尚不完善,有待进一步加强研究,以改进现行的设计方法,使结构的设计更合理。

美国圣弗尔南多地震爆发以后，各国都认识到结构的延性能力对结构抗震性能的重要意义。在1994年美国北岭（Northridge）地震和1995年日本神户（Kobe）地震爆发后，强调结构总体延性能力，已成为一种共识。为保证结构的延性，同时最大限度地避免地震破坏的随机性，新西兰学者Park等在70年代中期提出了结构抗震设计理论中的一个重要原则能力保护设计原则（Philosophy of Capacity Design），并最早在新西兰混凝土设计规范（NZS3101，1982）中得到应用。以后这个原则先后被美国、欧洲和日本等国家的桥梁抗震规范所采用。

能力保护设计原则的基本思想在于：通过设计，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。

与常规的设计方法比较，能力设计方法的最大优势在于他可以确保结构具有预知和满意的延性性能，从而最大限度的避免地震动的不确定性，使结构具有最大可靠度保证意义上的防止倒塌能力。能力设计方法与常规设计方法在结构抗震性能的区别如表所示。

表1 能力设计方法与常规设计方法在结构抗震性能的区别

基于能力保护设计原则的结构抗震设计过程，一般都具有以下特征：

（1）选择合理的结构布局；

（2）选择地震中预期出现的弯曲塑性铰的合理位置，保证结构能形成一个适当的塑性耗能机制；通过强度和延性设计，确保潜在塑性铰区域截面的延性能力；

（3）确立适当的强度等级，确保预期出现弯曲塑性铰的构件不发生脆性破坏模式（如剪切破坏、粘结破坏等），并确保脆性构件和不宜用于耗能的构件（能力保护构件）处于弹性反应范围；

具体到钢筋混凝土梁桥，按能力保护设计原则，应考虑以下几方面：

（1）塑性铰的位置一般选择出现在墩柱上，墩柱作为延性构件设计，可以发生弹塑性变形，耗散地震能量。

（2）墩柱的设计剪力值按能力设计方法计算，应为与柱的极限弯矩（考虑超强系数）所对应的剪力，在计算设计剪力值时应考虑所有潜在的塑性铰位置以确定最大的设计剪力；

（3）盖梁、结点及基础按能力保护构件设计，其设计弯矩、设计剪力和设计轴力应为与柱的极限弯矩（考虑超强系数）所对应的弯矩、剪力和轴力；在计算盖梁、结点和基础的设计弯矩、设计剪力和轴力值时应考虑所有潜在的塑性铰位置以确定最大的设计弯矩、剪力和轴力。

参考文献:

[1] 普瑞斯特雷,塞勃勒.卡尔雄.桥梁抗震设计与加固[M].北京:人民交通出版社,1997.

[2] 范立础,王君杰.桥梁抗震设计规范的现状与发展趋势[J].地震工程与工程振动,2001,21(2):71 - 77.