鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制探析

金 鑫

（寧夏工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

我國(guó)學(xué)者認(rèn)為采用短肢剪力墻體系的小高層以及多層的異形柱框架結(jié)構(gòu)相對(duì)普通的框架結(jié)構(gòu)更容易形成梁鉸破壞機(jī)制，并且將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成梁鉸耗能機(jī)制能夠很好的滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的變形能力，一些按照規(guī)范設(shè)計(jì)的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)也最終表現(xiàn)為梁鉸破壞機(jī)制。

1 建筑結(jié)構(gòu)可能的破壞機(jī)制

1.1 破壞機(jī)制的分類(lèi)

建筑結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制有三種：梁鉸破壞機(jī)制、柱鉸破壞機(jī)制和混合破壞機(jī)制。

柱鉸機(jī)制是指當(dāng)框架柱的承載能力弱于框架梁時(shí)，在水平荷載作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)在柱端首先出現(xiàn)塑性鉸，而在梁端依然處在彈性階段。發(fā)生的最嚴(yán)重的情況是結(jié)構(gòu)中只有其中的某一層的柱端形成塑性鉸而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。柱端塑性鉸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)在整個(gè)破壞過(guò)程當(dāng)中水平位移增加起主要貢獻(xiàn)。然而梁端塑性鉸相對(duì)能比較充分的發(fā)展，相對(duì)柱有良好的耗能能力。因此如果結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)一定，只靠柱端塑性鉸來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)的話(huà)，一般很難達(dá)到。所以要在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中對(duì)構(gòu)件加強(qiáng)構(gòu)造措施省得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柱鉸破壞。

梁鉸機(jī)制是由于結(jié)構(gòu)柱端承載力強(qiáng)于梁端，這時(shí)在結(jié)構(gòu)的梁端首先產(chǎn)生塑性鉸，此塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)吸收大部分地震能量，但是每層的柱子依然處于彈性階段，最終荷載繼續(xù)增大致使在最下層柱的底部產(chǎn)生塑性鉸宣告結(jié)構(gòu)破壞。梁鉸機(jī)制在整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程中主要依賴(lài)梁端產(chǎn)生的塑性鉸來(lái)耗能，相應(yīng)對(duì)柱子的延性就沒(méi)有那么嚴(yán)格的要求，結(jié)構(gòu)只有一個(gè)自由度，此機(jī)制歸于總體耗能機(jī)制。

混合機(jī)制是指如果在框架結(jié)構(gòu)中結(jié)點(diǎn)的梁端屈服的同時(shí)，在柱的兩端也都產(chǎn)生塑性鉸，這種破壞屬于“混合機(jī)制”。混合機(jī)制也是只有一個(gè)自由度，為總體耗能機(jī)制，跟梁鉸機(jī)制相近。

1.2 各國(guó)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的選用

各國(guó)目前關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制的選用有兩種不同的做法。

新西蘭的研究人員認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使結(jié)構(gòu)在梁端和底層柱子的底端都形成塑性鉸，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成全結(jié)構(gòu)塑性機(jī)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)者要對(duì)梁端截面計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力組合值，按其組合后的彎矩值進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。對(duì)于底層柱截面，使用計(jì)算的組合值稍微增大的值進(jìn)行設(shè)計(jì)，除此以外的截面使用相對(duì)計(jì)算的組合彎矩值人為加大的值進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)之后，如果結(jié)構(gòu)在較大等級(jí)地震中產(chǎn)生很大的塑性形變，梁端和底層柱底部都會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，不過(guò)梁端的塑性鉸要先于柱底的出現(xiàn)，在除柱底其他柱截面將不產(chǎn)生塑性鉸，這樣結(jié)構(gòu)最終形成梁鉸破壞機(jī)制。不過(guò)這種設(shè)計(jì)方法對(duì)柱端彎矩人為放大的彎矩增大系數(shù)要取的很大。

新西蘭研究人員提出的這套措施主要利用梁端產(chǎn)生的塑性鉸來(lái)耗能以及增加結(jié)構(gòu)的變形能力，梁端也有實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目的的能力。不過(guò)底層柱的嚴(yán)格要求就使得設(shè)計(jì)人員必須保證柱底軸壓比，并且還要配置足量的箍筋來(lái)確保柱底達(dá)到所要求的變形能力，萬(wàn)一柱底沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)目的，導(dǎo)致截面延性不足，那么很容易使整棟結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的可能。這一設(shè)計(jì)對(duì)除底層柱以外的柱截面的要求是不出現(xiàn)塑性鉸，這樣可以在這些截面不必增加太多的箍筋，可以節(jié)省一部分鋼筋用量。

美國(guó)抗震界對(duì)新西蘭人為增大柱底組合彎矩所使用的增大系數(shù)不太認(rèn)可，他們覺(jué)得新西蘭使用的這個(gè)增大系數(shù)過(guò)大。美國(guó)學(xué)者依據(jù)本國(guó)抗震經(jīng)驗(yàn)降低此增大系數(shù)，這樣設(shè)計(jì)以后，結(jié)構(gòu)在大震過(guò)程中產(chǎn)生塑性變形時(shí)，同樣結(jié)構(gòu)很快在梁端產(chǎn)生塑性鉸，但是柱底截面的柱端塑性鉸形成的時(shí)間要很晚。所以結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)梁端普遍形成塑性鉸，柱端的塑性鉸就相對(duì)少很多，這樣就形成了“混合破壞機(jī)制”。

混合機(jī)制的特點(diǎn)是以梁端塑性鉸耗能為主，但不限制柱端塑性鉸出現(xiàn)（包括底層柱底），通過(guò)適當(dāng)增強(qiáng)柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)離其塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力有足夠裕量，并且同層各柱上下端不同時(shí)處于塑性變形狀態(tài)。

1.3 我國(guó)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的選用

我國(guó)規(guī)范要求耗能機(jī)制采用“混合破壞機(jī)制”模式?！犊挂?guī)》6.2條規(guī)定：

一、二、三、四級(jí)框架結(jié)構(gòu)種的梁柱節(jié)點(diǎn)處，對(duì)柱端彎矩采用的組合設(shè)計(jì)值要符合公式：，式中的梁柱節(jié)點(diǎn)不包括框支梁柱的節(jié)點(diǎn)以及框架結(jié)構(gòu)的頂層和柱子軸壓比值小于0.15的情況。

一級(jí)的框架結(jié)構(gòu)和9度的一級(jí)框架可不符合上式要求，但要滿(mǎn)足公式。其中為節(jié)點(diǎn)上下柱端截面順時(shí)針或反時(shí)針?lè)较蚪M合的彎矩設(shè)計(jì)值之和，上下柱端的彎矩設(shè)計(jì)值，可按彈性分析分配；為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面反時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蚪M合的彎矩設(shè)計(jì)值之和，一級(jí)框架節(jié)點(diǎn)左右梁端均為負(fù)彎矩時(shí)，絕對(duì)值較小的彎矩應(yīng)取零；為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面反時(shí)針或順時(shí)針?lè)较驅(qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對(duì)應(yīng)的彎矩值之和，根據(jù)實(shí)配鋼筋面積（計(jì)入梁受壓筋和相關(guān)樓板鋼筋）和材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定；ηC為框架柱端彎矩增大系數(shù)；對(duì)框架結(jié)構(gòu)，一、二、三、四級(jí)可分別取1.7、1.5、1.3、1.2；其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型種的框架，一級(jí)可取1.4，二級(jí)可取1.2，三、四級(jí)取1.1。

當(dāng)反彎點(diǎn)不在柱的層高范圍內(nèi)時(shí)，柱端截面彎矩的組合設(shè)計(jì)值可以按照乘上上面公式中彎矩增大系數(shù)以后得到的值進(jìn)行計(jì)算另外，一、二、三、四級(jí)框架結(jié)構(gòu)的底層，柱下端截面組合的彎矩設(shè)計(jì)值，應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.7、1.5、1.3和1.2。底層柱縱向鋼筋應(yīng)按上下端的不利情況配置。

最終設(shè)計(jì)人員依據(jù)上述規(guī)范要求設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大震時(shí)，在結(jié)構(gòu)梁端會(huì)首先形成塑性鉸，并且同一層的柱上下兩端不會(huì)同時(shí)形成塑性鉸。但是結(jié)構(gòu)的柱端由于設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有采用較大的彎矩增大系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依然可能出現(xiàn)塑性鉸，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)大部分最終會(huì)形成混合破壞機(jī)制。

2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制的選用

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系縱然有很多優(yōu)點(diǎn)，良好的建筑功能，但是由于其結(jié)構(gòu)體系變形能力不是很大，這一新興結(jié)構(gòu)體系依然沒(méi)有得到廣大工程界的廣泛應(yīng)用?！陡咭?guī)》7.1.8條中規(guī)定，在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部?jī)A覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的50%；房屋適用高度應(yīng)比原規(guī)程表規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度適當(dāng)降低，7 度、8 度（0.2g）和 8 度（0.3g）時(shí)分別不應(yīng)大于100m、80m和60m。這給設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。

學(xué)者們經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)體試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，相對(duì)普通的框架結(jié)構(gòu)，采用短肢剪力墻體系的小高層以及多層的異形柱框架結(jié)構(gòu)更容易形成梁鉸破壞機(jī)制，一些按照規(guī)范設(shè)計(jì)的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)也最終表現(xiàn)為梁鉸破壞機(jī)制。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，我國(guó)規(guī)范要求耗能機(jī)制采用“混合破壞機(jī)制”模式。結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大震時(shí)，在結(jié)構(gòu)梁端會(huì)首先形成塑性鉸，并且同一層的柱上下兩端不會(huì)同時(shí)形成塑性鉸。但是結(jié)構(gòu)的柱端由于設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有采用較大的彎矩增大系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依然可能出現(xiàn)塑性鉸，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)大部分最終會(huì)形成混合破壞機(jī)制。

［1］康竹卿.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系研究[J].山西建筑，2008，34（21）：66-67.

［2］王嵐蘭，李志國(guó)，高祎.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22（2）：12-14.