淺談延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

梁亞楠

遼河石油裝備制造總公司

淺談延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

梁亞楠

遼河石油裝備制造總公司

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性,提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。結(jié)構(gòu)主要靠延性來抵抗較大地震作用下的非彈性變形。本文分析了延性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)及其意義,影響結(jié)構(gòu)延性的主要因素以及結(jié)構(gòu)延性的抗震設(shè)計(jì)。

延性；框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

隨著1976年唐山地震和2008年汶川地震給人們帶來的危害和教訓(xùn)，表明搞好結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)尤為重要。地震災(zāi)害具有突發(fā)性，至今可預(yù)見性仍然很低，它給人類社會(huì)造成損失嚴(yán)重，是各類自然災(zāi)害中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。根據(jù)我國現(xiàn)有的科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)條件，對建筑抗震提出了“三個(gè)水準(zhǔn)”的設(shè)防目標(biāo)，即通常所說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”。 為實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)，結(jié)構(gòu)除必須有足夠大的承載力和足夠的剛度外，還必須具有足夠的延性和耗能能力。

在我國現(xiàn)在的多高層建筑中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為普遍,其中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)形式。因?yàn)槠渚哂凶銐虻膹?qiáng)度、良好的延性和較強(qiáng)的整體性,目前廣泛用于地震設(shè)防地區(qū)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,然而未經(jīng)合理設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)會(huì)在地震作用下產(chǎn)生較嚴(yán)重的震害。結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性, 延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后,在承載能力不降低或基本不降低的情況下,具有足夠塑性變形能力的一種性能,一般用延性比來表示。提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。延性結(jié)構(gòu)通過塑性鉸區(qū)域的變形,能夠有效地吸收和耗散地震能量；同時(shí),這種變形降低了結(jié)構(gòu)的剛度,致使結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)減小,也就是使地震對結(jié)構(gòu)的作用力減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為延性結(jié)構(gòu)時(shí),由于塑性變形可以耗散地震能量,結(jié)構(gòu)變形雖然會(huì)加大，但結(jié)構(gòu)承受的地震作用不會(huì)很快上升,內(nèi)力也不會(huì)再加大，因此具有延性的結(jié)構(gòu)可降低對結(jié)構(gòu)的承載力要求，也可以說，延性結(jié)構(gòu)是用它的變形能力來抵抗罕遇地震作用；反之，如果結(jié)構(gòu)的延性不好，則必須有足夠大的承載力抵抗地震。

在建筑體形和結(jié)構(gòu)布置確定后，實(shí)現(xiàn)延性框架成為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。主要包括三個(gè)方面：⑴ 通過調(diào)整構(gòu)件之間承載力的相對大小，實(shí)現(xiàn)合理的屈服機(jī)制，即“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)核芯區(qū)弱構(gòu)件”；⑵通過調(diào)整構(gòu)件斜截面承載力和正截面承載力之間的相對大小，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件延性破壞形態(tài)，即“強(qiáng)剪弱彎”；⑶通過采取抗震構(gòu)造措施，使構(gòu)件自身具有大的延性和耗能能力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我們從以下幾方面實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土框架的延性。

一、實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制，避免柱鉸機(jī)制

梁鉸機(jī)制也稱整體機(jī)制，是指塑性鉸出現(xiàn)在梁端，除柱腳外，柱端無塑性鉸；柱鉸機(jī)制 也稱局部機(jī)制，是指在同一層所用柱的上、下端形成塑性鉸。設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整匯交在同一節(jié)點(diǎn)的梁端截面受彎承載力與柱端截面的正截面承載力的相對關(guān)系實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制：同一節(jié)點(diǎn)上、下柱端截面的彎矩設(shè)計(jì)值之和，大于兩側(cè)梁端截面實(shí)配鋼筋計(jì)算得到的受彎承載力之和，即ΣΜc= ηΣΜbuc(其中，η為大于1.0的系數(shù)。)

二、“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)原則——控制塑性鉸的位置

在地震作用下，框架中塑性鉸要出現(xiàn)在梁上，不允許出現(xiàn)在梁的跨中。梁的跨中出現(xiàn)塑性鉸將導(dǎo)致局部破壞。在梁端的塑性鉸必須具有延性，才能使結(jié)構(gòu)在形成機(jī)構(gòu)之前，可以抵抗外荷載并具有延性。

在框架結(jié)構(gòu)中，塑性鉸出現(xiàn)的位置或順序不同，將使框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的破壞形式。柱中出現(xiàn)塑性鉸，不易修復(fù)而且容易引起結(jié)構(gòu)倒塌；而塑性鉸出現(xiàn)在梁端，卻可以使結(jié)構(gòu)在破壞前有較大的變形，吸收和耗散較多的地震能量，因而具有較好的抗震性能。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，凡是具有現(xiàn)澆樓板的框架，由于現(xiàn)澆樓板大大加強(qiáng)了梁的強(qiáng)度和剛度，地震破壞都發(fā)生在柱中，破壞較嚴(yán)重；而沒有樓板的構(gòu)架式框架，裂縫出在梁中，破壞較輕,從而也證實(shí)強(qiáng)梁弱柱引起的結(jié)構(gòu)震害比較嚴(yán)重。

此外，梁的延性遠(yuǎn)大于柱的延性。這是因?yàn)橹菈簭潣?gòu)件，較大的軸壓比將使柱的延性下降，而梁是受彎構(gòu)件，比較容易實(shí)現(xiàn)高延性比要求。

因此，較合理的框架破壞機(jī)制應(yīng)是梁比柱的塑性屈服盡可能早發(fā)生和多發(fā)生，底層柱柱根的塑性鉸較晚形成，各層柱子的屈服順序應(yīng)錯(cuò)開，不要集中在某一層。這種破壞機(jī)制的框架，就是強(qiáng)柱弱梁型框架。

三、梁柱的延性設(shè)計(jì)

要使結(jié)構(gòu)具有延性，就必須保證框架梁柱有足夠的延性，而梁柱的延性是以其截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力來度量的。因此框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是梁柱塑性鉸設(shè)計(jì)。為此，應(yīng)遵循：

“強(qiáng)剪弱彎”設(shè)計(jì)原則。適筋梁或大偏壓柱，在截面破壞時(shí)可以達(dá)到較好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使內(nèi)力重分布得以充分發(fā)展；而鋼筋混凝土梁柱在受到較大剪力時(shí)，往往呈現(xiàn)脆性破壞。所以在進(jìn)行框架梁、柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使構(gòu)件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構(gòu)件發(fā)生延性較好的彎曲破壞，避免發(fā)生延性較差的剪切破壞，而且保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪壞，這就是“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則，它實(shí)際上是控制構(gòu)件的破壞形態(tài)。梁、柱剪跨比限制 。剪跨比反映了構(gòu)件截面承受的彎矩與剪力的相對大小。它是影響梁、柱極限變形能力的主要因素之一，對構(gòu)件的破壞形態(tài)有很重要的影響。 因此柱的剪跨比宜控制在1.5以上。

梁、柱剪壓比限制 。當(dāng)構(gòu)件的截面尺寸太小或混凝土強(qiáng)度太低時(shí)，按抗剪承載力公式計(jì)算的箍筋數(shù)量會(huì)很多，則箍筋在充分發(fā)揮作用之前，構(gòu)件將過早呈現(xiàn)脆性斜壓破壞，這時(shí)再增加箍筋用量已沒有意義。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)限制剪壓比即梁截面的平均剪應(yīng)力，使箍筋數(shù)量不至于太多，同時(shí)，也可有效地防止斜裂縫過早出現(xiàn)，減輕混凝土碎裂程度。這實(shí)質(zhì)上也是對構(gòu)件最小截面尺寸的要求。

柱軸壓比限制。試驗(yàn)研究表明，軸壓比的大小，與柱的破壞形態(tài)和變形能力是密切相關(guān)的。隨著軸壓比不同，柱將產(chǎn)生兩種破壞形態(tài)：受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和破壞時(shí)受拉鋼筋并不屈服的小偏心受壓破壞。而且，軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低，尤其在高軸壓比下，增加箍筋對改善柱變形能力的作用并不明顯。所以，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)限制柱的軸壓比不能太大，其實(shí)質(zhì)就是希望框架柱在地震作用下，仍能實(shí)現(xiàn)大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延性性質(zhì)。

鋼筋設(shè)置。試驗(yàn)表明：鋼筋混凝土單筋梁的變形能力，隨截面混凝土受壓區(qū)相對高度的減小而增大，而混凝土受壓區(qū)相對高度隨著配筋率的增大、鋼筋屈服強(qiáng)度的提高和混凝土強(qiáng)度等級的降低而增大，延性性能降低。為此，《規(guī)范》對一、二、三級抗震等級框架梁的混凝土受壓區(qū)相對高度和配筋率做出了規(guī)定。同時(shí)，框架梁還應(yīng)滿足最小配筋率的要求。另外，震害表明，梁端、柱端震害嚴(yán)重，是框架梁、柱的薄弱部位。所以按照強(qiáng)剪弱彎原則設(shè)計(jì)的箍筋主要配置在梁端、柱端塑性鉸區(qū)，稱為箍筋加密區(qū)。在塑性鉸區(qū)配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應(yīng)變值，提高抗壓強(qiáng)度，防止斜裂縫的開展，從而可充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高柱的延性。

四、延性框架節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)

框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力比較復(fù)雜，在地震和豎向荷載作用下，主要是剪力和壓力。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)可能出現(xiàn)的破壞形式有兩種：剪壓破壞和黏結(jié)錨固破壞。核心區(qū)的受剪承載力一般都不足，在剪壓作用下出現(xiàn)斜裂縫，在地震往復(fù)作用下，形成交叉裂縫使混凝土擠碎，縱向鋼筋壓屈為燈籠狀。另一方面，在地震往復(fù)作用下，框架梁伸入核心區(qū)的縱筋與混凝土間的黏結(jié)破壞，導(dǎo)致梁端轉(zhuǎn)角增大，從而增大了層間位移。剪壓破壞和黏結(jié)錨固破壞都不是延性破壞，核心區(qū)不能作為框架的耗能部位。因此，核心區(qū)的抗震設(shè)計(jì)概念是：強(qiáng)核心區(qū)和強(qiáng)錨固。主要抗震的構(gòu)造措施是配置足夠的箍筋、梁的上部鋼筋應(yīng)貫穿中間節(jié)點(diǎn)和梁的下部鋼筋在核心區(qū)內(nèi)應(yīng)有足夠的錨固長度。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了保證延性鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》是依據(jù)抗震等級對構(gòu)件本身不同性質(zhì)的承載力或構(gòu)件間的相對的承載力進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整，并依據(jù)規(guī)定的構(gòu)造要求來達(dá)到延性要求。內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，依據(jù)抗震等級不同而異：一級抗震等級以實(shí)際配筋為基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整；二、三級抗震等級是在設(shè)計(jì)內(nèi)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。而構(gòu)造要求，則根據(jù)不同的抗震等級，規(guī)定出截面形式、尺寸限制、材料規(guī)格、配筋率以及構(gòu)造形式等。所以要想充分發(fā)揮延性鋼筋混凝土的抗震性能，合理的設(shè)計(jì)、計(jì)算是不可少的。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.017