简论结构抗震的鲁棒性

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1、简论结构抗震的鲁棒性叶列平1’2，冯鹏1’2，陆新征1’2，程光煜1’2，马千里k2，缪志伟k2(1．清华大学土木工程系。北京．100084：2．结构工程与振动教育都重点实验室．北京．100084)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，结构的破坏模式，以及缀余构件等几方面深入讨论了抗震结构鲁棒性的具体体现和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，缀余构件1．结构鲁棒性的概念和意义工程结构设计通常要

2、求满足安全性、适用性和耐久性，这些都是结构在正常使用荷载和作用情况下所应具备的功能。而结构的鲁棒性(Robustness)是针对在意外荷载和作明情况下，结构不应产生与其原因不相称的垮塌，造成不可接收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，但鲁棒性是以工程结构的终极垮塌为目标，是无法接受的安全性上限。而目前通常所说的安全性是以结构的最大承载力为目标，即按所谓的“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，延性好的结构更是如此。另一方面，安全性是针对正常使

3、用荷载和作用来考虑的，而鲁棒性是针对意外荷载和作用米考虑的。两者所研究的荷载和作用的特征不相同。正常荷载与作用是指在设计阶段能够给予充分考虑和估计的荷载与作用。对丁二正常荷载与作用，通过合理的结构设计，可以保证结构具有足够的安全度。而意外荷载与作用是在设计阶段无法估计的荷载与作用。对丁=意外荷载与作用，‘只能凭借增加结构鲁棒性，来避免结构产生与其原因不相称的破坏和倒塌。此外，意外荷载与作用的大小、方式和方向往往具有极大的随机性，可能作用丁-结构或关键构件的承载力薄弱方向。如墙体，意外荷载方向可能垂直丁．墙面(产生出平面破坏)，而不是象设计荷载那样平行于墒面

4、。由于意外荷载和作用难以估计，同时我们也不能无限制对结构的鲁棒性提出过高要求，囚此鲁棒性的研究是指在结构满足正常安全度的前提。1-矛11经济许可范围内，根据可能遭遇的意外荷载和作用的分类、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，是没有办法的事了．比如，在一个6度抗震没防区的建筑，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)，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1l度或以上的强烈地震导致结构

5、垮塌，就无能为力了。又如，一般居民民用建筑结构或公共建筑，如果遭遇煤气爆炸(尽管设计时没有按煤气爆炸进行计算没计)或意外爆炸(如汽乍炸弹袋击，在人为爆炸破坏炸药当量范嗣)，不应造成整体结构垮塌(如石家庄爆炸事件)；而当遭遇军事行动的爆炸，也无能为力了。当然，鲁棒性好的结构，其正常使用性能也会更好一些。如采J[}j缀余构什米增加结构的鲁棒性，使其在正常使J}}j情况下的结构刚度更大。但我们不能因经济原囚，削弱主体结构构什，使得采用缀余构件后的整体结构刚度与未采用缀余构件整体结构刚度两者相等或相近，这是错误的，是违背鲁棒性原则的。鲁棒性的研究是针对整体结构的。

6、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，安全性的计算都是着落于具体的结构构件，这显然没有能够使得结构』=程师更多的考虑整体结构的安全性，这是导致某些工程鲁棒性不够的重要原因。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I：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。所以，整体结构安全性研究是鲁棒性研究的前提，尤其是在结构整体安全性研究中考虑结构鲁棒性问题。对丁抗震结构米说，目前《建筑抗震设计规范》规定了“小震不坏、中震可修、人震不倒”抗震设防目标。虽然“人震不倒”设防目标属丁．鲁棒性问题

7、，但是由丁设防烈皮的明确规定，所谓“人37震”是在设计中有所考虑的，最多只能属于意外事件的下限。由于地震具有极大的随机性，因此在遭遇比设防烈度大震大的地震时，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。这样的事例己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设计标准进行设计的，但由于鲁棒性的差别，而在地震中表现出截然不同的结果。因此，只有在设

8、计中充分考虑结构的鲁棒性，才能做剑真正意义上的“大震不倒”。否则，