结构超强的研究进展

李何潇 王猛

摘要：介绍了结构超强的概念及影响因素，从不同结构类型的角度梳理了国内外对结构超强的研究成果，并对今后应关注的问题进行了简要说明。

关键词：结构超强;钢结构;钢筋混凝土框架结构

2008年汶川地震中出现的一个现象引起了研究者的关注：在已超过当地设防烈度的地区中，多数按照规范设计且保证施工质量的建筑均未发生倒塌，说明建筑的抗震能力比设计能力更强，也即所谓的结构超强。结构超强现象的存在，虽然可以增加房屋在大震下的抗倒塌能力，但若对结构超强的具体程度没有具体的掌握，不明确结构中存在超强的部位或构件，则在某些情况下可能会对结构安全产生不利影响，这些问题应引起相关研究者的注意并做进一步研究。

1结构超强的概念及影响因素

1.1结构超强的概念

实际工程中的建筑结构均具有较高的超静定次数，且基于规范设计时考虑了可靠度、荷载组合、抗震措施等因素，同时设计人员在设计中通常存在人为放大的现象，以上因素都会使建筑结构的实际抗震能力大于其设计能力，称为结构体系超强，通常用“结构超强系数”来进行度量，其具体含义为结构的实际抗震能力与其设计地震力的比值。

1.2结构超强的影响因素

从已有的研究成果来看，影响结构超强的因素较多，现梳理如下：（1）实际结构为超静定结构，构件是逐个屈服的;（2）结构设计基于可靠度理论，且考虑了荷载的不利组合及正常使用状态的要求;（3）规范中考虑了“强柱弱梁”等能力调整措施，人为增大了部分构件的承载力;（4）最小尺寸、最小配筋率等规定控制了部分构件的设计;（5）结构材料在实际地震中发挥出来的强度是标准值或平均值，比设计中采用的设计值大;（6）设计中未考虑或未充分考虑填充墙等非结构构件实际参与受力;（7）设计中存在的人为放大配筋及截面尺寸的情况。

2不同结构的研究成果

2.1钢结构

Bertero和Uang及Whittaker和Bertero[1]分别对一钢结构进行了试验研究，研究表明这两个钢结构均存在超强，且超强系数分别为2.43和2.85。Assaf[2]针对层数和跨度，分别设计了4～12层、1～5跨共9榀钢框架，基于材料的名义强度对上述钢框架进行了Pushover分析，研究结果表明，上述钢结构的超强系数受跨数的影响不明显，但随层数增加逐步变小。Freeman设计了处于不同设防分区的3个钢框架结构，以研究设防分区对钢框架结构超强的影响，结果显示上述3个钢框架结构的超强系数分别为3.3、3.6及1.9。Uang和Maarouf[1]对一经历了Loma Prieta地震的钢框架进行了研究，研究显示该结构的超强系數达到4.0。Humar和Ragozar[3]针对超静定次数对结构超强的影响展开了研究，该研究设计了2-30层的多个算例，通过改变层数体现超静定次数的影响，研究表明：当层数小于7时，超强系数随层数增多而增大;当层数大于7时，超强系数随层数增多而减小。

2.2钢筋混凝土框架结构

Uang和Maarouf[1]对一经历了Loma Prieta地震的6层钢筋混凝土框架结构进行了评估，结果显示该结构的超强系数为1.9。Shinozuka和Hwang对一按UBC规范设计的4层钢筋混凝土框架结构进行了研究，研究表明该结构的超强系数为2.2。Mitchell和Paultre[4]采用Pushover方法对2个按照NBCC1990设计的框架结构进行了研究，该结构为6层办公楼，其中一个采取能力调整措施。研究表明：采用能力调整措施的结构超强系数更大，上述两个结构的超强系数分别为4.6和2.14。Jain和Navin[5]从设防分区、平面框架位置和层数三方面对位于印度的平面框架进行了研究，算例设计考虑了不同的设防分区，不同的层数和中间榀及边榀框架。结果显示：设防分区对超强系数的影响最大，处于低设防分区的结构存在更大的超强;底层结构比高层结构的超强系数大;中间榀框架比边榀框架的超强系数大。李刚强[6]对按我国规范设计的5榀钢筋混凝土平面框架进行了研究，该5榀框架除了设防烈度不同外，其余条件均相同。结果显示：该5榀框架存在不同程度的超强;处于低设防烈度区的框架的超强系数比高设防烈度区的更大;超强系数随所采取抗震措施严格程度的增加而增大。刘兰花[7]从层数和跨数两方面对钢筋混凝土平面框架的超强问题进行了探究。研究表明：单层单跨结构由于受重力荷载控制，超强系数最大;超强系数随层数增加而变化的幅度并不明显;跨数对超强系数的影响不大。翟长海[8]分别采用Pushover和增量动力分析方法对钢筋混凝土框架的超强进行了研究。结果表明：相较于增量动力分析方法，Pushover方法在层数较多时已不再适用;按照我国规范设计的钢筋混凝土框架结构存在超强，且可认为其超强系数为2。王树和[9]主要考察了钢筋归并系数对钢筋混凝土框架结构超强系数的影响，结果显示：在层数较少时，钢筋归并系数对超强的影响更为明显;超强系数随钢筋归并系数的增大而增大。崔双双[10]在研究中考虑了填充墙和现浇板的作用，对所设计的15个算例进行了Pushover分析，结果表明：考虑填充墙和现浇板的作用后，结构的超强幅度会有提高。

3结语

本文对结构超强的概念及影响因素进行了简要介绍，并梳理了国内外对结构超强问题的研究现状。研究结果表明，按照不同国家规范设计的不同的结构，均存在超强现象。值得注意的是，超强有时也会对结构产生不利影响，如框架结构中梁的弯曲超强可能会导致结构更容易出现柱铰机构，也有可能导致梁的剪切破坏先于弯曲破坏出现;构件超强可能导致结构不会出现规范所引导的破坏模式;钢筋强度超强会导致较为严重的粘结退化等，这一系列问题还有待于进一步研究。

参考文献：

[1] 李刚强. 抗震设计的R −µ基本准则及钢筋混凝土典型框架结构超强特征分析[D].重庆： 重庆大学， 2006.

[2] 刘兰花. 多自由度体系R −µ规律初步分析及超静定次数对结构超强的影响[D].重庆：重庆大学， 2007.

[3] 翟长海，谢礼立. 钢筋混凝土框架结构超强研究[J]. 建筑结构学报. 2007（01）： 101-106

[4] 王树和，张举兵，王灵智. 钢筋归并对钢筋混凝土框架结构超强特性的影响[J]. 北京科技大学学报.2013（06）： 831-835.

[5] 崔双双. RC框架结构整体抗震性能系数与综合反应修正系数研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.