淺析框架結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計

張云

摘 要:簡單分析框架結(jié)構(gòu)延性對抗震的重要作用以及影響框架結(jié)構(gòu)延性的主要因素,幫助工程設(shè)計人員理解我國規(guī)范對抗震混凝土結(jié)構(gòu)使用的“能力設(shè)計”思路,即“強柱弱梁,強剪弱彎,強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。

關(guān)鍵詞:延性抗震設(shè)計框架結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TU7 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(c)-0041-01

1 引言

在我國目前的多高層建筑中,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)因具有強度高、整體性好以及良好的延性,目前已成為廣泛用于地震設(shè)防地區(qū)的最普遍的結(jié)構(gòu)形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容,抗震的實質(zhì)是結(jié)構(gòu)延性,因此延性是抗震設(shè)計中的一個重要概念。提高延性可以增強結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震時的抗倒塌能力。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。增強結(jié)構(gòu)延性是提高建筑抗震性能的重要措施。因此,地震作用下,結(jié)構(gòu)的延性與結(jié)構(gòu)的強度具有同等重要的意義。以下筆者將對延性在抗震設(shè)計中的作用以及影響框架結(jié)構(gòu)延性的主要因素做簡單闡述。

2 框架結(jié)構(gòu)延性的作用

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)計的框架結(jié)構(gòu)會在地震作用下產(chǎn)生較嚴(yán)重的震害。所謂延性,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。對于受彎構(gòu)件來說,隨著荷載增加,首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫,表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服,受壓區(qū)高度減小,受壓區(qū)混凝土壓碎,構(gòu)件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎,是構(gòu)件的破壞過程。在這過程中,構(gòu)件的承載能力沒有多大變化,但其變形的大小卻決定了破壞的性質(zhì)。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,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)計成為延性結(jié)構(gòu)時,由于塑性變形可以耗散地震能量,結(jié)構(gòu)變形雖然會加大,但結(jié)構(gòu)承受的地震作用不會很快上升,內(nèi)力也不會再加大,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來抵抗地震作用。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性具有以下作用:

2.1 防止脆性破壞

脆性破壞是突然的、無明顯征兆的破壞,因此破壞的后果較嚴(yán)重。工程設(shè)計中應(yīng)避免脆性破壞,應(yīng)按塑性破壞的原則進行設(shè)計,使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有一定的延性,保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞之前有足夠的變形能力,防止突然的脆性破壞發(fā)生。

2.2 對脆性構(gòu)件起穩(wěn)定作用

在實際建筑結(jié)構(gòu)中,延性構(gòu)件與非延性構(gòu)件(脆性構(gòu)件)往往是并存的。例如框架結(jié)構(gòu)的長柱與短柱。實驗研究說明,在保證延性構(gòu)件與非延性構(gòu)件一定比例的條件下,延性構(gòu)件對脆性構(gòu)件起穩(wěn)定作用,使結(jié)構(gòu)有較好的變形能力而不致失效。

2.3 實現(xiàn)內(nèi)力重分布

延性構(gòu)件在強震作用下,隨著裂縫的形成和開展,某些臨界截面有一定的轉(zhuǎn)動能力,形成塑性鉸,改變了原有的超靜定狀態(tài),結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布不再服從彈性狀態(tài),產(chǎn)生塑性內(nèi)力重分布,從而使結(jié)構(gòu)更符合實際內(nèi)力分布。在保證極限承載力不變的條件下,利用塑性內(nèi)力重分布規(guī)律,調(diào)整設(shè)計彎矩,減少梁支座配筋的密集程度,便于施工。

2.4 提高框架結(jié)構(gòu)抗震性能

在我國,抗震設(shè)計的原則是:小震不壞,基本地震可修,大震不倒。地震作用時,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,這種變形降低了結(jié)構(gòu)的剛度,使結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)減小,即減小了地震力。因此,結(jié)構(gòu)的延性措施增加了結(jié)構(gòu)在大震下的變形能力,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 影響結(jié)構(gòu)延性的主要因素

框架結(jié)構(gòu)是由梁、板、柱以及梁柱節(jié)點組成的受力體系,其中梁、柱是抵抗地震力的主要構(gòu)件。梁、柱通過節(jié)點形成整體,框架結(jié)構(gòu)的延性取決于梁、柱及其連結(jié)節(jié)點。因此,只要保證柱、梁和節(jié)點的延性也就保證了框架結(jié)構(gòu)的延性,從而也就確保了框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.1 梁

框架梁是框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的主要耗能構(gòu)件,因此梁、特別是梁的塑性鉸區(qū)應(yīng)保證有足夠的延性。影響梁延性的因素主要有梁的剪跨比、截面剪壓比、截面配筋率、壓區(qū)高度比等。在地震作用下,梁端塑性鉸區(qū)混凝土保護層容易脫落,如梁截面寬度過小,則截面損失比例較大。所以一般框架梁寬度不宜小于 200mm。同時為了對節(jié)點核心區(qū)提供約束以提高其受剪承載力,避免梁側(cè)向失穩(wěn)及確定梁塑性鉸區(qū)發(fā)展范圍分別要求梁寬不宜小于柱寬的1/2,狹而高的梁截面不利于混凝土的約束,梁的塑性鉸發(fā)展范圍與梁的高跨比有關(guān),當(dāng)梁的截面高度與凈跨之比小于4時,在反復(fù)受剪作用下交叉斜裂縫將沿梁的全跨發(fā)展,從而使梁的延性及受剪承載力急劇降低。所以框架梁凈跨宜大于梁截面高度的4倍,截面高寬比不宜大于4。試驗表明,當(dāng)梁縱向受拉鋼筋配筋率很高時,在彎矩達到最大值時,彎矩——曲率曲線很快出現(xiàn)下降;當(dāng)配筋率較低時,彎矩達到最大值后能保持相當(dāng)長的水平段,因而大大提高了梁的延性和耗散能量的能力。

3.2 柱

框架柱是框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的又一主要耗能構(gòu)件。影響柱延性的因素主要有柱的軸壓比、剪跨比、剪壓比等。軸壓比是影響框架柱抗震設(shè)計的破壞形態(tài)和變形能力的重要因素。軸壓比不同,框架柱將呈現(xiàn)兩種不同的破壞形態(tài),即受拉鋼筋首先屈服的大偏心受壓破壞和混凝土受壓區(qū)壓碎而受拉區(qū)鋼筋未屈服的小偏心受壓破壞?？蚣苤鶓?yīng)控制在大偏心受壓破壞范圍,以保證柱有一定的延性。不同結(jié)構(gòu)體系、抗震等級等情況規(guī)范對柱的軸壓比限值有嚴(yán)格要求。剪跨比用于區(qū)分變形特性和變形能力,框架柱的剪跨比宜大于2,避免形成短柱。剪壓比用于限值內(nèi)力,保證延性。

3.3 節(jié)點

框架節(jié)點主要是連結(jié)框架梁、柱以形成完整受力體系,共同發(fā)揮抗震作用。節(jié)點的延性主要受框架梁、柱影響,一般通過加強節(jié)點抗震構(gòu)造措施來提高框架的抗震性能。在地震作用下為了使框架節(jié)點處于有利的受力狀態(tài),宜使節(jié)點內(nèi)及其周邊處的縱向受力鋼筋不進入屈服狀態(tài)。從構(gòu)造上采取措施加強梁端截面的受彎承載力,迫使塑性鉸不是緊靠柱邊產(chǎn)生,而是離開柱邊一定的距離形成,這樣柱邊梁端縱向受力鋼筋不至于達到屈服,就可以推遲或防止梁端縱向受力鋼筋在節(jié)點核心區(qū)的滑移,改善節(jié)點在反復(fù)循環(huán)荷載作用下的剛度退化,保證正交梁對節(jié)點核心區(qū)的約束作用,使節(jié)點核心區(qū)始終處于彈性受力狀態(tài),提高框架抗震的性能。

4 結(jié)語

延性決定了在地震作用時結(jié)構(gòu)的抗震性能,因此在工程設(shè)計中應(yīng)予以高度重視,通過“強柱弱梁,強剪弱彎,強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則來提高框架結(jié)構(gòu)延性,提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

參考文獻

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