论结构抗震的鲁棒性

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