鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的震害與設計對策

鄢愛芬

（盤縣住房和城鄉(xiāng)建設局質(zhì)量安全監(jiān)督站　553500）

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的震害與設計對策

鄢愛芬

（盤縣住房和城鄉(xiāng)建設局質(zhì)量安全監(jiān)督站553500）

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋是房屋建筑中主要結(jié)構(gòu)之一。地震，尤其是大地震給人類帶來了巨大的災難，防震減災是抵御地震災害的必然選擇。做好建筑工程的抗震設計工作，是避免和減少地震災害損失的關(guān)鍵手段。本文分析了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)框架結(jié)構(gòu)主要震害表現(xiàn)，從設計角度提出框架結(jié)構(gòu)房屋抗震害設計對策。

框架結(jié)構(gòu)；震害分析；設計對策

房屋建筑是保障人居生活質(zhì)量的根本，近年來，國內(nèi)地質(zhì)災害事件頻發(fā)，這就要求設計單位應嚴格按照抗震設防標準完成設計工作，以實現(xiàn)三個水準的抗震設防目標。

1　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)特點

框架結(jié)構(gòu)體系是指沿房屋縱向和橫向，由梁、柱構(gòu)件通過抗彎節(jié)點連接構(gòu)成，既承受豎向荷載，也承受橫向荷載的結(jié)構(gòu)條體系。這種體系適用于多層建筑和高度不大的高層建筑（一般在15層以下）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度主要取決于梁、柱的抗彎剛度和柱子的軸向剛度。作用于框架任一層間的水平集中剪力由該層柱子的抗剪能力抵抗。

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是建筑平面布置靈活，可以做成較大的使用空間，可通過合理設計，使之具有良好的抗震性能。但由于框架側(cè)向剛度較小，結(jié)構(gòu)頂點位移和層間相對位移較大，使得非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻等在地震時破壞較嚴重，這是它的主要缺點，也是限制框架高度的主要原因?，F(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)整體性好，抗震性能好，在地震區(qū)應優(yōu)先選用現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)。設計合理的框架結(jié)構(gòu)有較大的延性，自振周期長，因而對地震作用不敏感，抗震性能較好。

2　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的震害分析與設計對策

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋是較常用的建筑結(jié)構(gòu)形式，其側(cè)向剛度較小，在強烈地震下側(cè)向變形較大，易造成部分柱子失穩(wěn)破壞，由于贅于度少，容易形成連續(xù)倒塌機制，從而導致結(jié)構(gòu)整體傾覆倒塌。同時，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞比較嚴重。

在我國歷次大地震中，這類結(jié)構(gòu)形式的房屋震害比砌體房屋輕得多。但是未經(jīng)抗震設計或抗震概念設計存在明顯問題的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋也存在很多薄弱環(huán)節(jié)；同時在遭遇8度及以上的地震作用下，有一定數(shù)量的這類房屋產(chǎn)生中等破壞或嚴重破壞，極少數(shù)甚至整體倒塌?？偨Y(jié)震害經(jīng)驗教訓，有助于搞好這類房屋的抗震設計。

2.1結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下整體倒塌破壞2.1.1震害分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在整體設計上存在較大的不均勻性，使得這些結(jié)構(gòu)存在著層間屈服強度特別弱的樓層。在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱樓層率先屈服、發(fā)展彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中現(xiàn)象。較少的冗余度易導致結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。

2.1.2設計對策

《抗規(guī)》《高規(guī)》等相關(guān)規(guī)范、標準著重強調(diào)符合抗震概念設計原則。合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的，提倡采用對抗震有利的建筑平面、立面布置，即采用規(guī)則結(jié)構(gòu)；不應采用嚴重不規(guī)則結(jié)構(gòu)。平面布置應力求簡單、規(guī)則，質(zhì)量、剛度和承載力分布宜均勻，避免應力集中的凹角和收進，避免樓、電梯間偏置，盡量減少扭轉(zhuǎn)的影響。豎向布置應使體型規(guī)則、均勻，避免有較大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小。結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。同時，應選擇有利場地，避開不利場地，采取措施保證地基的穩(wěn)定性。加強結(jié)構(gòu)空間整體性，增加超靜定次數(shù)，組成多道抗震防線。

2.2柱端和節(jié)點的破壞比較普遍

2.2.1震害分析

框架結(jié)構(gòu)的震害一般是梁輕柱重，柱頂比柱底嚴重，尤其是角柱和邊柱更易發(fā)生破壞。普通柱一般是柱端發(fā)生彎曲破壞，輕者水平或斜向斷裂，重者混凝土壓酥、鋼筋外露、壓曲和箍筋崩脫。剪跨比較小的短柱易發(fā)生剪切型脆性破壞。當節(jié)點核心區(qū)箍筋約束不足或無箍筋約束時，節(jié)點和柱端破壞合并加重。強度較高的填充墻的不合理砌筑，往往會導致普通柱因側(cè)向變形受到約束而形成短柱，對抗震不利，多發(fā)生嚴重的脆性剪切破壞。

2.2.2設計對策

《抗規(guī)》、《高規(guī)》強調(diào)采用延性框架設計的原則。因為結(jié)構(gòu)延性越好，結(jié)構(gòu)的抗震能力越強。在大震下，即使結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到屈服，仍然可以通過屈服截面的塑性變形來消耗地震能量，避免發(fā)生脆性破壞。因此在地震區(qū)，結(jié)構(gòu)必須具有一定的延性。根據(jù)震害以及近年來國內(nèi)外試驗研究資料，延性框架設計的基本要點是：強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點、強錨固。

①強柱弱梁：從抗彎的角度來講，要求柱端截面的屈服彎矩要大于梁端的屈服彎矩，使塑性鉸盡可能出現(xiàn)在梁的端部，從而形成強柱弱梁。在梁端出現(xiàn)塑性鉸，一方面框架不會變成機構(gòu)，而且塑性鉸的數(shù)目多，消耗地震能的能力強；另一方面受彎構(gòu)件具有較高的延性，結(jié)構(gòu)的延性有保障。②強剪弱彎：要求構(gòu)件的抗剪能力比抗彎能力強，從而避免梁、柱構(gòu)件過早發(fā)生脆性剪切破壞。③強節(jié)點、強錨固：節(jié)點區(qū)域受力復雜，容易發(fā)生破壞。節(jié)點的可靠與否是關(guān)系梁、柱能否可靠工作的前提，必須做到強節(jié)點。鋼筋錨固的好壞是構(gòu)件能否發(fā)揮承載力的關(guān)鍵。

規(guī)范根據(jù)不同建筑的抗震設防類別、設防烈度、結(jié)構(gòu)類型、房屋高度劃分抗震等級，再根據(jù)抗震等級分別對梁端剪力、柱端彎矩、柱端剪力、節(jié)點剪力等分別乘以不同增大系數(shù)的計算方法來增大內(nèi)力以實現(xiàn)強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點。對于強錨固，規(guī)范采用計算公式與圖表相結(jié)合的方法確定鋼筋錨固長度。應嚴格執(zhí)行。

此外，影響框架柱的延性尚有幾個重要參數(shù)：剪跨比、軸壓比和剪壓比。①剪跨比λ是影響鋼筋混凝土柱破壞形態(tài)的最重要的因素。當剪跨比λ＞2時，稱為長柱，多數(shù)出現(xiàn)彎曲破壞（延性），但仍然需要配置足夠的抗剪箍筋；當剪跨比λ≤2時，稱為短柱，多數(shù)出現(xiàn)剪切破壞（脆性），但當提高混凝土等級并配置足夠的抗剪箍筋后，可能會出現(xiàn)稍有延性的剪切受壓破壞；當剪跨比λ＜1.5時，稱為極短柱，一般都會發(fā)生剪切斜拉破壞，幾乎沒有延性。在確定結(jié)構(gòu)設計方案時就應避免短柱，包括填充墻的砌筑導致形成框架柱的凈高與柱的截面高度之比不大于4的柱。當無法避免短柱時應嚴格按規(guī)范采取加強措施；剪跨比小于1.5的超短柱的要專門研究，采取特別的加強措施。②軸壓比是影響鋼筋混凝土柱承載力和延性的另一個重要參素。軸壓比越大，混凝土壓區(qū)高度越大，受拉鋼筋屈服的可能性越小，柱子延性越低。因此，控制軸壓比是很有必要的。③剪壓比是指截面平均剪應力與混凝土軸心抗壓強度的比值。剪壓比越大，斜裂縫出現(xiàn)越早，要求配置箍筋量越多。但試驗表明，當配箍率過高時，有可能混凝土已經(jīng)破碎而箍筋尚未屈服，箍筋難以發(fā)揮作用。在設計中應避免這種情況發(fā)生。

2.3樓梯間的破壞相對嚴重和集中

（1）震害分析：在框架結(jié)構(gòu)中，由于支撐效應使樓梯板承受較大的軸向力，地震時樓梯段處于交替的拉彎和壓彎受力狀態(tài)，當樓梯段的拉應力達到或超過混凝土材料的極限抗拉強度時，就會發(fā)生受拉破壞。而樓梯平臺梁，由于上下梯段的剪刀作用，產(chǎn)生剪切、扭轉(zhuǎn)破壞。

（2）設計對策：樓梯間的布置應盡量減小其造成的結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則；樓梯板宜采用雙排配筋，梯梁應加強抗剪、抗扭鋼筋配置；宜采取措施減小對主體結(jié)構(gòu)的影響，即可在每梯段下端梯板與平臺或樓層之間設置水平隔離縫；休息平臺柱與上層結(jié)構(gòu)之間宜設構(gòu)造柱，加強拉結(jié)。

2.4非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（填充墻、圍護墻等）的破壞普遍比較嚴重

2.4.1震害分析

框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻和圍護墻剛度大而承載力低，變形能力差，地震中首先承受地震力而遭破壞。如果拉結(jié)措施不當或與主體沒有拉結(jié)極易造成嚴重破壞。

2.4.2設計對策

《抗規(guī)》規(guī)定，砌體填充墻應采取措施減少對主體結(jié)構(gòu)的不利影響并應設置拉結(jié)筋、水平系梁、圈梁、構(gòu)造柱等與主體可靠拉結(jié)。

3　結(jié)論

總之，地震災害是房屋面臨的主要災害之一，一旦發(fā)生地震則會造成明顯的破壞性作用?！皬娭趿海瑥娂羧鯊?，強節(jié)點弱構(gòu)件、強錨固”的抗震設計理念貫穿結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算和構(gòu)造設計的全過程，也是抗震理念的精髓。設計人員要從多個角度開展抗震設計工作，綜合改善鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震承載能力，確保在具體工程設計中實現(xiàn)三個水準的抗震設防目標，以減少人民生命財產(chǎn)損失。

[1]《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]黃世敏，楊沈.建筑震害與設計對策.中國計劃出版社，2009.

[4]朱炳寅.《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應用與分析》（JGJ3-2010）.中國建筑工業(yè)出版社，2012.

TU375.4

A

1673-0038（2015）29-0031-02

2015-7-5

鄢愛芬（1976-），女，漢族，中級工程師，全國二級注冊結(jié)構(gòu)工程師，原從事建筑結(jié)構(gòu)設計工作，現(xiàn)從事建筑工程安全質(zhì)量監(jiān)督工作。