砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)解析

張子憲

摘要：近年來我國地震頻發(fā)，對(duì)砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的因素就是混凝土延性，這也是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效措施。

關(guān)鍵詞：混凝土；抗震；延性；結(jié)構(gòu)

目前地震的發(fā)生及其強(qiáng)烈程度都具有不可預(yù)知性，當(dāng)?shù)卣鸨l(fā)時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)易發(fā)生彈性變形而受到損傷。因此提高建筑結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的行之有效的辦法。

1砼框架延性設(shè)計(jì)的原則

在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中延性有四層含義：材料的延性、桿件的延性、構(gòu)件的性、結(jié)構(gòu)的延性。

材料的延性：發(fā)生較大的非彈性變形或反復(fù)彈塑性變形時(shí)強(qiáng)度沒有明顯下降的材料稱延性材料。桿件的延性：構(gòu)件中某一桿件（墻片中的連梁或墻肢、框架中的梁或柱）的塑性變形、能量吸收與耗散的能力。構(gòu)件的延性：結(jié)構(gòu)中某一構(gòu)件（一片墻或一榀框架）的塑性變形、能量吸收與耗散的能力。結(jié)構(gòu)的延性：通常指其整體塑性變形能力和抗地震倒塌能力。

實(shí)際工程中很難做到結(jié)構(gòu)中所用桿件、構(gòu)件均具有較高的延性，通常的做法是：對(duì)桿件的延性要求高于對(duì)構(gòu)件的延性的要求；對(duì)構(gòu)件的延性的要求高于對(duì)結(jié)構(gòu)的延性要求。

1.1加強(qiáng)如梁的兩端、柱的上下端、抗震墻墻肢的根部等關(guān)鍵部位的延性。

1.2加強(qiáng)構(gòu)件中關(guān)鍵桿件的延性。如壁式框架中窗間墻的延性，聯(lián)肢墻中的窗裙梁的延性，框架（或框架筒體）中柱的延性。

1.3設(shè)置多道抗震防線的抗震結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)第一道防線構(gòu)件的延性。如筒中筒的內(nèi)筒延性，框架—抗震墻中抗震墻的延性。

1.4加強(qiáng)房屋周邊、平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)突變處構(gòu)件的延性。偏心結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)影響，加強(qiáng)剛度較弱一端構(gòu)件的延性。

1.5加強(qiáng)結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下塑性變形集中的薄弱樓層的構(gòu)件延性。

如樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)的底層的延性，樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)沿高度分布不均勻的結(jié)構(gòu)的系數(shù)最小和相對(duì)較小樓層的延性，單層廠房的上柱的延性。

2砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的措施

2.1材料的延性設(shè)計(jì)

2.1.1纖維增強(qiáng)混凝土

在普通混凝土中摻入適量的各種纖維材料而形成的纖維增強(qiáng)混凝土，可很好的提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震延性。應(yīng)用較成熟的是在混凝土中摻入體積率為0.8%～1.5%的隨機(jī)亂向分布的短鋼纖維的鋼纖維增強(qiáng)混凝土。鋼纖維按生產(chǎn)工藝常見有：切斷鋼纖維、剪切鋼纖維、切削鋼纖維、溶抽鋼纖維，最有前途的是價(jià)格最低的溶抽鋼纖維。

2.1.2高強(qiáng)混凝土

由于使用功能的限制，高、超高層建筑的框架柱截面尺寸不能隨意加大，軸向壓力又很大，其軸壓比大，柱的延性往往很差，在地震作用下呈脆性破壞，為降低軸壓比宜采用高強(qiáng)混凝土（同時(shí)應(yīng)注意控制降低剪壓比），以獲得良好延性。

2.1.3纖維增強(qiáng)高性能混凝土

纖維增強(qiáng)高性能混凝土———在高強(qiáng)混凝土中摻加纖維是一種改善高強(qiáng)混凝土脆性的有效措施。其拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線在應(yīng)力峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段，表明纖維增強(qiáng)高性能混凝土不僅大大提高了拉伸應(yīng)力而且顯著改善了高強(qiáng)混凝土的脆性。試驗(yàn)還表明，在同樣纖維體積含量的情況下，鋼纖維和碳纖維對(duì)改善高強(qiáng)混凝土的脆性比合成纖維更為有效。

2.2“強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計(jì)

柱是壓彎構(gòu)件，梁是受彎構(gòu)件，框架梁的延性通常遠(yuǎn)大于柱的延性。有目的地增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值，體現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)梁鉸側(cè)移機(jī)構(gòu)，即塑性鉸應(yīng)首先在梁上形成，盡可能避免在危害更大的柱上出現(xiàn)塑性鉸。在強(qiáng)烈地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大側(cè)移進(jìn)入非彈性階段時(shí)，框架保持足夠的豎向承載力從而免于倒塌。

2.3梁柱的延性設(shè)計(jì)

2.3.1控制軸壓比

軸壓比指柱組合的軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比值，以表示。軸壓比是影響柱子破壞形態(tài)和延性的主要因素之一。試驗(yàn)表明，柱的位移延性隨軸壓比增大而急劇下降，尤其在高軸壓比情況下，箍筋對(duì)柱的延性不再發(fā)揮作用。因此在確定柱等軸壓和壓彎構(gòu)件的截面尺寸時(shí)，要控制其軸壓比?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，希望框架柱最終發(fā)生受拉鋼筋首先屈服的具有較好塑性的大偏心受壓破壞。隨軸壓比的增大，會(huì)出現(xiàn)混凝土壓碎而受拉鋼筋并未屈服的呈受壓塑性鉸的小偏心受壓破壞。受拉塑性鉸的大偏心受壓破壞延性好，有較大吸收能量的能力，因此也要控制其軸壓比最大值。

2.3.2限制剪跨比

剪跨比是指截面彎矩與對(duì)應(yīng)的剪力和截面有效高度的比值，以表示。

剪跨比λ>2為長柱，1.5<λ≤2為短柱，λ≤1.5為極短柱。構(gòu)造合理的條件下長柱一般發(fā)生延性好的彎曲破壞，短柱易發(fā)生剪切破壞，極短柱發(fā)生剪切斜拉破壞。柱的剪切受拉和剪切斜拉破壞均屬于脆性破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)避免。

2.3.3降低剪壓比

剪壓比指截面上平均剪應(yīng)力與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的關(guān)鍵指標(biāo)。桿件塑性鉸區(qū)的截面剪壓比對(duì)其延性、耗能能力、強(qiáng)度及剛度有明顯的影響，當(dāng)剪壓比超過一定數(shù)值時(shí)，混凝土?xí)榱?，桿件較早出現(xiàn)斜裂縫，此時(shí)即使增加橫向鋼筋的用量，也不能有效提高其受剪承載力。因此應(yīng)降低剪壓比（本質(zhì)是要求桿件達(dá)到一定的面積指標(biāo)）。

2.3.4加強(qiáng)約束箍筋

震害表明，框架柱的破壞一般發(fā)生在柱上下端1.0倍～1.5倍柱截面高度范圍內(nèi)，加密柱端箍筋，可側(cè)向支撐縱筋防止縱筋壓屈、承擔(dān)柱子剪力、提高混凝土抗壓強(qiáng)度及彈塑性變形能力。其中箍筋對(duì)混凝土的約束程度主要與箍筋形式、體積配箍率、箍筋抗拉強(qiáng)度及混凝土軸心抗壓強(qiáng)度等因素有關(guān)。

2.3.5控制縱筋的配筋率

為獲得較大屈服變形，防止柱在地震作用下過早屈服，應(yīng)增大柱縱向鋼筋的最小總配筋率，且每一側(cè)配筋率不應(yīng)小于0.2%。同時(shí)過大的配筋率易產(chǎn)生剪切破壞或粘結(jié)破壞從而使柱的延性變差，因此還應(yīng)減小框架柱縱向鋼筋的最大總配筋率。同時(shí)加大縱向鋼筋的錨固長度。

2.4“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則在地震作用下，要確保框架結(jié)構(gòu)中塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，而不是在柱端，使框架結(jié)構(gòu)形成梁鉸機(jī)制。利用適筋梁良好的變形性能，來吸收和耗散地震能量。在框架結(jié)構(gòu)中，塑性鉸出現(xiàn)的位置或者順序不同，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，會(huì)引起結(jié)構(gòu)倒塌；塑性鉸出現(xiàn)在梁端，框架結(jié)構(gòu)在破壞之前有比較大的變形，可以耗散比較多的地震能量，具有較好的抗震性能。柱的延性通常小于梁的延性。

2.5滿足“強(qiáng)剪弱彎”的破壞形態(tài)

抗震設(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，防止在彎曲破壞前發(fā)生延性較差的剪切破壞。在進(jìn)行框架梁和柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該使構(gòu)件的受剪承載力大于其受彎承載力，使構(gòu)件發(fā)生延性的彎曲破壞，避免發(fā)生延性比較差的剪切破壞，保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后不過早剪壞。這也是保證構(gòu)件在塑性鉸出現(xiàn)之后也不過早剪壞的有效措施。

2.6“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的延性設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是抗震的薄弱部位，在彎矩、剪力、軸力作用下處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。一旦破壞難以修復(fù)加固，所以設(shè)計(jì)時(shí)要使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力高于與之相連的桿件的承載力，達(dá)到連接桿件充分發(fā)揮承載能力和變形能力的目的。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)也是保證框架承載力和延性的關(guān)鍵部位，它包括節(jié)點(diǎn)核心受剪承載力及桿件端部鋼筋的錨固。節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生剪切破壞或錨固鋼筋失效，結(jié)構(gòu)的贅余約束大為減少，抗震性能明顯下降，甚至可能導(dǎo)致倒塌。保證節(jié)點(diǎn)區(qū)不發(fā)生剪切破壞的主要措施是保證節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土強(qiáng)度和密實(shí)性，并在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)放置足夠的箍筋。

結(jié)語

在當(dāng)前砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)提高抗震性能的設(shè)計(jì)不容忽視，一旦發(fā)生事故將不堪設(shè)想，這也是設(shè)計(jì)方式和計(jì)算手段在當(dāng)前的建筑工程應(yīng)用中是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和核心。在框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則，使其具有多道抗震防線，從而實(shí)現(xiàn)我國抗震規(guī)范提出的“小震不壞，中震可修，大震不倒”三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是依據(jù)抗震等級(jí)對(duì)構(gòu)件本身不同性質(zhì)的承載力或構(gòu)件間的相對(duì)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)到結(jié)構(gòu)延性的要求。

加強(qiáng)延性設(shè)計(jì)提高結(jié)構(gòu)抗震性能，目前還處于非確定性設(shè)計(jì)階段，即概念性設(shè)計(jì)階段。軸壓比、剪跨比、配箍特征值等因素的影響已取得一定成果，但還有混凝土保護(hù)層、配箍形式等很多因素的影響尚不明確，有待進(jìn)一步研究。

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