鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計

王紅偉

（武漢建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，武漢 430071）

國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致越來越多的高層建筑物出現(xiàn)，高層建筑物由于重量大、高度高，若設(shè)計不當(dāng)，在地震過程中很容易發(fā)生破壞，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失，引起惡劣的社會效應(yīng)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，作為我國建筑結(jié)構(gòu)物中最常用的結(jié)構(gòu)形式，由于其自身具有良好的延性、較強的完整性以及較高的強度、剛度，廣泛應(yīng)用于我國地震設(shè)防區(qū)域，其良好的抗震性能在地震中發(fā)揮了積極的作用。根據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）提出的結(jié)構(gòu)物三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求：（1）第一水準(zhǔn)：當(dāng)遭遇低于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時，建筑物一般不損壞或不需修理仍然可以繼續(xù)使用；（2）第二水準(zhǔn)：當(dāng)遭遇本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時，建筑物可能損壞，但經(jīng)過修理后或不需修理仍可繼續(xù)使用；（3）第三水準(zhǔn)：當(dāng)遭遇高于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時，建筑物不倒塌，或不發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計思想。

該文主要討論鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計，根據(jù)地震中框架結(jié)構(gòu)的震害分析，說明結(jié)構(gòu)物抗震延性設(shè)計的重要性。在此基礎(chǔ)上，從框架結(jié)構(gòu)消耗地震能量的角度出發(fā)，給出了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計的方法及要求。

1 框架結(jié)構(gòu)震害分析

根據(jù)5.12汶川特大地震和4.14玉樹大地震中建筑結(jié)構(gòu)物的震害情況，此節(jié)對地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的典型震害特征進(jìn)行分析說明。通過總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震中容易出現(xiàn)的典型破壞特征主要有以下幾點：

1）框架柱的破壞

為了保證建筑結(jié)構(gòu)物在地震中不至于倒塌，建筑物抗震設(shè)計相關(guān)規(guī)范中要求的“強柱弱梁”，確保梁的破壞出現(xiàn)在柱之前。因此，地震中框架柱的破壞主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）強震中框架柱柱底部分出現(xiàn)水平裂縫，部分混凝土被壓碎，導(dǎo)致縱向受力鋼筋暴露表面，甚至部分鋼筋發(fā)生屈曲，同時箍筋發(fā)生嚴(yán)重扭曲，如圖1所示。

（2）框架柱柱頂與梁端連接處的節(jié)點發(fā)生嚴(yán)重破壞，框架柱端形成明顯的塑性鉸，鋼筋發(fā)生彎曲外露，嚴(yán)重處甚至發(fā)生屈曲，如圖2所示。

（3）框架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件在地震情況下由之前的長柱變?yōu)槎讨?，其受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)本身易發(fā)生剪切破壞，斜向裂縫產(chǎn)生，表層混凝土剝落，鋼筋外露，如圖3所示。

2）梁柱節(jié)點的破壞

梁柱節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)在地震中容易發(fā)生破壞的區(qū)域之一，其破壞的主要形式主要包括節(jié)點核心區(qū)的剪切破壞和鋼筋的錨固破壞，主要表現(xiàn)有以下幾個方面：受壓區(qū)域混凝土被壓碎、受拉區(qū)域鋼筋發(fā)生屈曲破壞，框架柱端形成塑性鉸，在節(jié)點處出現(xiàn)交叉裂縫，如圖4所示。

3）建筑突出結(jié)構(gòu)部分的“鞭梢效應(yīng)”

部分鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)由于功能需要在結(jié)構(gòu)頂端存在突出部分，地震中該突出部分能產(chǎn)生明顯的“鞭梢效應(yīng)”，即突出部分所承受的地震力是其他部分所承受地震力的幾倍，因此地震中突出部分極易產(chǎn)生破壞，破壞形式有表層混凝土發(fā)生剝落，突出部分與結(jié)構(gòu)主體之間產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)生傾斜、坍塌等情況，如圖5所示。

4）填充墻體的破壞

填充墻體一般采用磚砌體對結(jié)構(gòu)物空間進(jìn)行分割和圍護(hù)，由于磚砌體自身的抗剪強度較低，同時在地震中變形能力較差，因此在水平地震作用力的作用下，填充墻通常情況下會出現(xiàn)水平縫和交叉裂縫，如圖6所示。

2 框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的重要性

對5.12汶川特大地震和4.14玉樹大地震中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大部分結(jié)構(gòu)物的破壞都是因為沒有嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)物抗震延性設(shè)計的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計引起的。因此，在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，尤其是位于抗震設(shè)防區(qū)域的地區(qū)，結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計顯得特別重要。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震實際上就是對建筑結(jié)構(gòu)物的延性設(shè)計，提高框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，增加結(jié)構(gòu)物的抗坍塌能力。所謂結(jié)構(gòu)物的延性，就是反映結(jié)構(gòu)物在外荷載作用下所產(chǎn)生的非線性變形能力，同時結(jié)構(gòu)物的承載力不發(fā)生明顯的變化。通常情況下，結(jié)構(gòu)物的延性能用來判斷某一結(jié)構(gòu)物在地震作用下的抵抗變形的能力和消耗地震能量的能力。結(jié)構(gòu)物的抗震延性設(shè)計在地震中可以最大程度的根據(jù)設(shè)計理論，減小地震帶來的財產(chǎn)損失和人員傷亡。綜上所述，結(jié)構(gòu)物的延性設(shè)計在抗震中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3 框架結(jié)構(gòu)耗能機理

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主要由2部分組成，即豎向框架柱和水平框架梁。其中，豎向框架柱主要為壓彎構(gòu)件，而水平框架梁主要為彎剪構(gòu)件。既有研究成果表明，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性很大程度上由框架柱和框架梁自身的延性和屈服強度決定。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下，框架結(jié)構(gòu)在每一個循環(huán)過程中，存在加載與卸載2個階段，在加載階段時框架結(jié)構(gòu)是吸收或者存儲能量，在卸載階段時結(jié)構(gòu)釋放能量，但是吸收部分和釋放部分不相等。這兩者的差值即為框架結(jié)構(gòu)在該循環(huán)中消耗的能量，即為耗能?？蚣芙Y(jié)構(gòu)吸收的能量可以根據(jù)力－位移曲線所包圍的面積來表示，如圖7所示。

4 框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計

通常來講，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計主要包括以下3個方面：延性框架柱的設(shè)計、延性框架梁的設(shè)計和延性框架節(jié)點的設(shè)計。以下進(jìn)行分別說明：

1）延性框架柱和梁的設(shè)計

在地震作用中，梁構(gòu)件是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的主要耗能構(gòu)件，這是由梁構(gòu)件的延性來為框架結(jié)構(gòu)提供延性，因此在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中要求框架梁應(yīng)具有良好的延性。同時，框架柱是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中主要的受力桿件，因此在抗震設(shè)計相關(guān)規(guī)范中，對框架柱和框架梁提出了以下2個要求，即強剪弱彎和強柱弱梁。

（1）強剪弱彎

在地震的反復(fù)荷載作用下，框架柱的抗剪承載力主要由3部分組成，包括混凝土部分的抗剪能力、鋼筋結(jié)構(gòu)部分的抗剪能力和軸向荷載作用下的影響效應(yīng)產(chǎn)生的剪力。在地震力加載初期，混凝土部分承擔(dān)了剪力中的絕大部分，然后是箍筋部分承擔(dān)的剪力。隨著加載過程的推進(jìn)，在框架結(jié)構(gòu)隨著交叉斜裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，混凝土和箍筋的作用在發(fā)展著變化，即此時的絕大部分剪力由箍筋承擔(dān)，然后才是混凝土部分。

因此，在地震低周期反復(fù)荷載的作用下，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中框架柱構(gòu)件中混凝土部分對剪力的抵抗貢獻(xiàn)率在不斷的減小，相應(yīng)增加的是箍筋對剪力的貢獻(xiàn)率。如果在設(shè)計中箍筋的配筋率不足，在混凝土貢獻(xiàn)率減小、箍筋貢獻(xiàn)率增大的情況下，框架柱中的箍筋會因為與斜裂縫相交發(fā)生屈服或者破壞，導(dǎo)致斜裂縫迅速發(fā)展，最終貫穿構(gòu)件的受壓邊緣導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生剪切受拉破壞。

我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中則是通過調(diào)整框架柱端部所承受的剪力設(shè)計值，同時配置相當(dāng)量的箍筋以此保證構(gòu)件體積配箍率的要求，最終達(dá)到強剪弱彎的延性設(shè)計要求。

（2）強柱弱梁

如果鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震中形成梁鉸結(jié)構(gòu)，那么塑性鉸的分布則會相對均勻，同時梁鉸結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計要求也比較容易實現(xiàn)。另一方面，如果形成了柱鉸結(jié)構(gòu)，那么整個框架結(jié)構(gòu)極易形成一個機構(gòu)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致整個框架結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌。因此，為了保證鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性，設(shè)計中要求同一節(jié)點上柱端截面抗彎承載力之和大于梁端截面抗彎承載力之和，即要求在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候滿足強柱弱梁的原則，保證結(jié)構(gòu)有足夠的能力抵抗地震力，減小地震力作用下框架柱端發(fā)生屈服的可能性，增加框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。

2）延性框架節(jié)點的設(shè)計

框架梁和柱的連接節(jié)點經(jīng)過專門處理保證塑性鉸的變形，以此來保證鋼筋混凝土框架的延性和消耗地震的能量?？蚣芄?jié)點的動力性能主要是通過錨固和剪切機制進(jìn)行控制，在地震中節(jié)點的滯回特性比較差，因此變成框架結(jié)構(gòu)中耗能較弱的部分，所以通常不作用耗散能量部位。

鋼筋混凝土框架節(jié)點的破壞主要是由于節(jié)點核心區(qū)域配置的箍筋不足，導(dǎo)致在剪力和壓力的共同作用下核心區(qū)的混凝土出現(xiàn)了斜裂縫，最終引起箍筋屈服甚至被拉斷，柱的縱向箍筋被壓屈等現(xiàn)象。因此，為了防止節(jié)點核心區(qū)發(fā)生剪切破壞，對節(jié)點剪壓比進(jìn)行控制及進(jìn)行節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力驗算，保證節(jié)點核心區(qū)混凝土的強度滿足要求和配置足夠數(shù)量的鋼筋，做到“強節(jié)點”。

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