鋼筋混凝土核心抗震關(guān)鍵設(shè)計

馬云瓊

【摘 要】 本文根據(jù)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，從強節(jié)點弱構(gòu)件、 強柱弱梁、強剪弱彎的抗震設(shè)計原則出發(fā)，提出了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中梁和柱的的抗震設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 鋼筋混凝土 抗震設(shè)計 梁 柱

在鋼筋混凝土框架抗震設(shè)計中，應(yīng)滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”、“強柱弱梁”、“強剪弱彎”，從而梁出現(xiàn)塑性鉸并有足夠的轉(zhuǎn)動，以耗散地震能量，這樣可保證其他構(gòu)件有足夠的強度，保證整個框架結(jié)構(gòu)的強度能夠安全而又充分地發(fā)揮。作為框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的核心，梁和柱的抗震設(shè)計至關(guān)重要，做好梁和柱的設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。

1 抗震設(shè)防的水準(zhǔn)的概述

抗震設(shè)防水準(zhǔn)一般是以地震動參數(shù)的形式來表達的，是指未來可能施加于結(jié)構(gòu)的地震作用大小。目前我國正在使用的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）中采用了三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)，即：第一水準(zhǔn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的小震作用時，結(jié)構(gòu)一般不發(fā)生破壞或不需修理即可繼續(xù)使用；第二水準(zhǔn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的中震作用時，結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生破壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；第三水準(zhǔn)：當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的大震作用時，結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴(yán)重破壞。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一般原則

2.1 強柱弱梁

強柱弱梁是為了實現(xiàn)在罕遇地震作用下，使框架結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)在梁端的設(shè)計要求。用以提高結(jié)構(gòu)的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。人為增大柱子相對于梁的抗彎能力，誘導(dǎo)在梁端出現(xiàn)塑性鉸，從而達到強柱弱梁的要求。當(dāng)建筑許可時，盡可能將柱的截面尺寸做得大些，使柱的線剛度與梁的線剛度的比值盡可能大于1，并控制柱的軸壓比滿足規(guī)范要求，以增加延性。梁端縱向受拉鋼筋的配筋不得過高，以免在罕遇地震中進入屈服階段不能形成塑性鉸或塑性鉸轉(zhuǎn)移到立柱上。注意不可隨意超配筋，超配筋要整體保持一定比例。注意節(jié)點構(gòu)造，讓塑性鉸向梁跨內(nèi)移。

2.2 強剪弱彎

使鋼筋混凝土構(gòu)件中與正截面受彎承載能力對應(yīng)的剪力低于該構(gòu)件斜截面受剪承載能力的設(shè)計要求，用以改善構(gòu)件自身的抗震性能。強剪弱彎是保證構(gòu)件延性，防止脆性破壞的重要原則，它要求人為加大各承重構(gòu)件相對于其抗彎能力的抗剪承載力，使這些部位在結(jié)構(gòu)經(jīng)歷罕遇地震的過程中以足夠的保證率不出現(xiàn)脆性剪切失效。對于框架結(jié)構(gòu)中的框架梁應(yīng)注意抗剪驗算和構(gòu)造，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。應(yīng)合理選擇梁柱截面尺寸、配置縱向鋼筋和箍筋避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋錨固粘結(jié)先于構(gòu)件破壞。適當(dāng)增加抵抗剪切力的鋼筋可以有效防止梁、柱在彎曲屈服之前出現(xiàn)剪切破壞。

2.3 強節(jié)點弱構(gòu)件

構(gòu)件節(jié)點（主要是梁柱節(jié)點）的承載力不應(yīng)低于其連接構(gòu)件的承載力，當(dāng)構(gòu)件屈服、剛度退化時，節(jié)點應(yīng)保持承載力和剛度不變。予埋件的錨固承載力不應(yīng)低于連接件的承載力裝配式的連接應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體性，各抗側(cè)力構(gòu)件必須有可靠的措施以確?？臻g協(xié)同工作。一、二級抗震等級的框架進行節(jié)點核心區(qū)抗震受剪承載力計算；三、四級抗震等級的框架節(jié)點核心區(qū)可不進行計算，但應(yīng)符合抗震構(gòu)造措施的要求。要求剪力設(shè)計值不大于框架梁柱節(jié)點的杭震受剪承載力?？蚣芰汉涂蚣苤目v向鋼筋在節(jié)點區(qū)的錯固和搭接應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求。

3 梁的抗震設(shè)計

3.1 梁截面尺寸。為了防止梁發(fā)生斜裂縫破壞、斜壓型脆性破壞，框架梁截面尺寸必須滿足如下要求：梁的截面寬度不宜小于200mm；截面高度與寬度不宜大于4；凈跨與截面高度之比不宜小于4。

3.3 梁的箍筋。試驗結(jié)果和震害經(jīng)驗表明，梁端的破壞主要集中于1.5-2.0倍梁高的長度范圍內(nèi)，因此，在梁端縱筋屈服范圍內(nèi)加密封閉式箍筋，對提高梁的變形能力十分有效。同時，為了防止壓筋過早壓曲，應(yīng)嚴(yán)格遵照《抗震設(shè)計規(guī)范》限制箍筋的間距。梁端設(shè)置的第一個箍筋距框架節(jié)點邊緣不大于50mm。非加密區(qū)箍筋間距不宜大于加密區(qū)箍筋間距的2倍。

3.4 梁內(nèi)縱筋的錨固和搭接。在較強地震作用過程中，梁、柱截面中的縱向受力鋼筋可能處于交替拉、壓狀態(tài)下，根據(jù)試驗結(jié)果，這時鋼筋與其周圍混凝土的粘結(jié)錨固性能將比單純受拉時不利?？v向受力鋼筋連接接頭的位置宜避開梁端箍筋加密區(qū)；當(dāng)無法避開時，應(yīng)采用滿足等強度要求的機械連接接頭，且鋼筋接頭面積百分率不應(yīng)超過50?？v向受力鋼筋搭接長度范圍內(nèi)箍筋應(yīng)加密，其直徑和肢距視搭接鋼筋直徑大小而不同。

4 柱的抗震設(shè)計

4.1 柱截面尺寸。柱的平均剪應(yīng)力太大，會使柱產(chǎn)生脆性的剪切破壞。平均壓應(yīng)力或軸壓比太大會使柱產(chǎn)生混凝土壓碎破壞，為了使柱有足夠的延性，柱截面尺寸應(yīng)符合以下要求：柱截面的寬度和高度：四級或不超過2層時均不宜小于300mm，一、二、三級且超過2層時不宜小于400mm；圓柱直徑：四級或不超過2層時均不宜小于350mm，一、二、三級且超過2層時不宜小于450mm；柱截面長邊與短邊的邊長比不宜大于3；剪跨比宜大于2。

4.2 柱的軸壓比。限制框架柱的軸壓比主要為了保證框架結(jié)構(gòu)的延性要求。試驗表明，受壓構(gòu)件的位移延性隨軸壓力增加而減小。為滿足框架柱在地震作用組合下位移延性的要求，根據(jù)抗震等級不同，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》對軸壓比限值進行了規(guī)定，對于框架結(jié)構(gòu)：抗震等級一級為0.65，二級為0.75，三級為0.85，四級為0.90；對于框架-抗震墻，板柱-抗震墻、框架-核心筒及筒中筒結(jié)構(gòu)：抗震等級一級為0.75，二級為0.85，三級為0.90，四級為0.95；建造于IV類場地且較高的高層建筑，柱軸壓比限值還應(yīng)適當(dāng)減小。不論采取何種約束措施，柱的軸壓比都不應(yīng)大于1.05。

4.3 柱縱向鋼筋的配置。柱中縱向鋼筋宜對稱配置；截面尺寸大于400mm的柱，縱向鋼筋間距不宜大于200mm；柱總配筋率不應(yīng)大于5%；邊柱、角柱及抗震墻端柱在小偏心受拉時，柱內(nèi)縱筋總截面面積應(yīng)比計算值增加25%。為了保證柱有足夠的延性，柱縱向鋼筋最小配筋率必須滿足規(guī)范要求。柱縱向鋼筋的綁扎接頭應(yīng)避開柱端的箍筋加密區(qū)?？v向鋼筋的接頭，一級應(yīng)采用焊接接頭；二級宜采用焊接接頭而底層柱根應(yīng)焊接；三級可采用搭接而底層柱根宜焊接；直徑大于32mm的鋼筋必須采用焊接。在縱向鋼筋搭接區(qū)段內(nèi)宜加密箍筋，防止縱向鋼筋的壓曲，增加粘結(jié)強度，箍筋的直徑和肢距視搭接鋼筋直徑大小而不同?？蚣苤目v向鋼筋應(yīng)貫穿中間層中間節(jié)點和中間層端節(jié)點，柱縱向鋼筋接頭應(yīng)設(shè)在節(jié)點區(qū)以外。

4.4 柱的箍筋。在地震力的反復(fù)作用下，柱端鋼筋保護層往往首先碎落，這時，若無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外膨出，柱端破壞。箍筋對柱的核心混凝土起著有效的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓混凝土的極限壓應(yīng)變，從而有效增加柱的延性。在設(shè)置柱箍筋時應(yīng)注意以下幾點：柱的箍筋加密范圍；柱箍筋加密區(qū)的箍筋肢距；柱箍筋加密區(qū)的體積配箍率；柱箍筋非加密區(qū)的箍筋配置；柱節(jié)點核心區(qū)的計算配箍值。

5 結(jié)語

做好鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，避免地震時給人類帶來大的災(zāi)難，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能正確運用框架結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計，克服框架結(jié)構(gòu)的弊端，運用科學(xué)有效的手段，確保建筑結(jié)構(gòu)安全，從而實現(xiàn)建筑使用功能。

參考文獻

[1] 馬宏旺.一種直接基于位移的抗震設(shè)計方法.地震工程與工程振動，2007，27（2）：45-50

[2] 杜修力，賈鵬，趙均.不同連梁跨高比混凝土核心筒抗震性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報. 2008（S1）

[3]2005，21（4）：157-164曲哲.搖擺墻 -框架結(jié)構(gòu)抗震損傷機制控制及設(shè)計方法研究[D].北京：清華大學(xué)，2010