淺談高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計

梁毅

（桂林市建筑設(shè)計研究院，廣西 桂林 541002）

淺談高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計

梁毅

（桂林市建筑設(shè)計研究院，廣西 桂林 541002）

近年來高層建筑日益增多，其平面、立面結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，這就容易給高層建設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定挑戰(zhàn)。尤其是結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，不僅要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還需要考慮到結(jié)構(gòu)的延性問題。本文結(jié)合筆者工作經(jīng)驗，對高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計相關(guān)問題進(jìn)行具體探討。

高層建筑；結(jié)構(gòu)構(gòu)件；延性設(shè)計

0 引言

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計就是指構(gòu)件在屈服后，所能達(dá)到最大承載力或者承載力基本不降低，且可以吸收一定的能量，來規(guī)避對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的脆性破壞，同時還要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有一定的塑性變形能力。因此，做好高層建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性設(shè)計非常關(guān)鍵。

1 影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性設(shè)計的主要因素

1.1 梁截面尺寸

通常高層建筑框主梁的寬度不應(yīng)低于20 cm，次梁的寬度則應(yīng)在15 cm以上。在抗震要求下，為了保證梁端塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層不剝落，梁截面的寬度設(shè)計可以適當(dāng)加寬一點，通?？筛鶕?jù)梁高來設(shè)計確定。梁的寬度通常為1/2~1/3梁高，寬度則應(yīng)控制在支撐柱在該方向的寬度之內(nèi)。

1.2 鋼筋配筋率

位移延性與配箍率成正比，箍筋間距越大，配箍筋率也就越大，其延性的增長也就越明顯。鋼筋配筋率可以有效增加混凝土橫向變形約束與極限壓應(yīng)變，而且配筋率的增加也可以強(qiáng)化構(gòu)件的抗彎矩性，提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力。縱向鋼筋配筋率的增加，有利于框架柱截面延性的提高，但如果縱向配筋率達(dá)到一定程度以后，其變形影響的能力就會減弱，而且如果縱向鋼筋配筋率過大的話，還會對柱子造成剪力或粘接破壞。因此，縱向配筋率的大小，應(yīng)該依照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來確定。通常情況下，為了減少脆性破壞和劈裂破壞，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計分別為1~4級時，其配筋率分別可設(shè)定在0.8%、0.7%、0.6%、0.5%。

1.3 材料強(qiáng)度

建筑材料直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性設(shè)計的效果。高層建筑鋼筋混凝土構(gòu)件不僅要滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，還需要具有較強(qiáng)的抗震延性，以保證主體結(jié)構(gòu)受力的合理性，降低地震破壞。通常，可采用降低構(gòu)件軸壓比的方法來提升混凝土強(qiáng)度。但如果縱向配筋率相同的情況下，混凝土的標(biāo)號提高了，其縱向鋼筋配筋率便會減少，其延性也就會隨之降低。

1.4 軸壓比

柱的軸壓比會影響到框架結(jié)構(gòu)和壓彎構(gòu)件的位移及延性。軸壓比就是指柱軸壓力設(shè)計值和柱軸壓承載力設(shè)計值的比值。如果比值超過限值的話，就容易產(chǎn)生脆性破壞，從而影響建筑的整體穩(wěn)定性。通常當(dāng)框架柱的抗震分別為一、二、三級時，其軸壓比值則分別為0.7、0.8、0.9，如果軸壓比過大，柱的延性也會隨之增大，因此，必須轉(zhuǎn)動更大的軸面角度方可讓受拉區(qū)的鋼筋屈服。這樣就會造成屈服位移量的大幅增加，構(gòu)件延性也會受到較大影響。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性設(shè)計原則

2.1 強(qiáng)柱弱梁

為了提高高層建筑的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該遵循強(qiáng)柱弱梁的原則。強(qiáng)柱弱梁有利于梁上塑性鉸的形成，從而削弱地震作用，對框架柱起到良好的保護(hù)作用。如果塑性鉸存在于梁上，說明塑性鉸所需要的非彈性變形量較小，分布也較為均勻。如果柱中出現(xiàn)塑性鉸，則表明非彈性變形集中于某一層的柱中，因此對柱的延性要求會較高。但是在實際工程中往往很難實現(xiàn)對柱的延性要求，如果處理不好，還容易出現(xiàn)較大層間的側(cè)移，對建筑的整個結(jié)構(gòu)安全性會產(chǎn)生影響。為了避免側(cè)移對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的威脅，設(shè)計時通常會將非彈性變形限制于梁內(nèi)，使框架柱的彎承載能力得到保證，降低柱端屈服的產(chǎn)生。

2.2 強(qiáng)剪弱彎

延性破壞的主要形式就是彎曲破壞，這種破壞通常具有一定的預(yù)兆性，比如出現(xiàn)開裂或下?lián)系痊F(xiàn)象。但是剪切破壞則是一種脆性破壞，無法預(yù)知，如果建筑結(jié)構(gòu)的某個構(gòu)件出現(xiàn)剪性破壞，這個構(gòu)件的抗震能力將會喪失，會產(chǎn)生更大的破壞性，甚至造成建筑倒塌。因此，延性設(shè)計的強(qiáng)剪弱彎，就是在避免構(gòu)件與節(jié)點發(fā)生脆性破壞的前提下，保證建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性。為了避免梁、柱等構(gòu)件發(fā)生脆性破壞，應(yīng)該保證構(gòu)件的受剪承載力要比構(gòu)件屈服時的實際剪力高。因此，對于框架結(jié)構(gòu)的高層建筑，在設(shè)計過程中應(yīng)遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，并依據(jù)承載力值與剪力值來進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。

2.3 節(jié)點強(qiáng)錨固

梁柱等構(gòu)件的搭接處即為節(jié)點，對于高層建筑來說，節(jié)點最容易受到地震水平作用的破壞，因此，節(jié)點屬于延性的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計時必須注重節(jié)點和錨固的安全性。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的節(jié)點破壞主要原因是節(jié)點核心部位箍筋足或不到位引起的。為了提升節(jié)點的延性，必須保證節(jié)點部位混凝土的等級和箍筋的數(shù)量。設(shè)計時還可以在保證錨固長度的基礎(chǔ)上，疊加一定的抗震附加錨固長度，利用錨固的長度來加強(qiáng)節(jié)點的延性。為保證梁柱屈服后節(jié)點的約束能力，框架節(jié)點的延性設(shè)計必須依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計措施

3.1 連梁的延性設(shè)計

在地震作用下，連梁的破壞通常會表現(xiàn)為局部混凝土壓碎。其主要原因可能是跨高比過小，或者構(gòu)件的抗彎能力高于其抗剪能力。如果出現(xiàn)較大震級，連梁應(yīng)首先受彎出鉸，所以必須控制好其跨高比。在室內(nèi)如果連梁的高比過小，可考慮利用水平縫來分設(shè)兩梁。通常室外連梁可以適當(dāng)開大建筑窗，并將跨高比控制在3左右。為了遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，配筋時應(yīng)該將樓板鋼筋的影響考慮進(jìn)去，不用考慮對縱筋的加強(qiáng)；另外，需要配路箍筋并進(jìn)行強(qiáng)化，可采用對角交叉配筋形式來提高連梁的延性。

3.2 剪力墻和柱的延性設(shè)計

剪力墻在布置時應(yīng)該盡量均勻?qū)ΨQ，使兩個主軸方向的剛度盡量相同。墻體的開洞也應(yīng)該均勻，盡量減少或避免錯洞布置。通常獨(dú)立墻的能量大多通過墻底出鉸來進(jìn)行消散。而聯(lián)肢墻，則需要通過設(shè)置合理的開洞來消散能量，使其能夠在連梁的梁端出鉸或墻底出鉸，而墻體的其他地方都不會存在塑性鉸。在構(gòu)造方面為了減少剪力墻的剪切破壞，可以在底部加強(qiáng)區(qū)適當(dāng)增加剪力墻的水平受力筋，從而使剪力墻的抗剪能力得到提高。另外，還可考慮將柱箍筋的全長進(jìn)行加密，以保證框架柱的抗側(cè)能力。

3.3 樓梯的延性設(shè)計

樓梯的周圍大多為剪力墻或填充墻，因此，其抗側(cè)剛度要比其他位置的抗側(cè)剛度大許多，地震時會表現(xiàn)得更加明顯。樓梯間的結(jié)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜，樓梯板和平臺梁需要承受彎矩、剪力和扭矩等綜合作用。設(shè)計時可考慮采用板筋上下拉通和提高梯梁配箍率的方法來增加其延性。

3.4 填充墻的延性設(shè)計

填充墻的布置也應(yīng)該做到均勻、對稱，應(yīng)該盡量減少填充墻引起的房屋附加扭矩。設(shè)計時可將填充墻作為荷載輸入，其結(jié)構(gòu)受力可不考慮。但是填充墻自身都具有較大的剛度，因此，應(yīng)該盡量考慮沿豎向連續(xù)布置，使其形成砌體剪力墻，起到消耗地震能量的作用，從而避免薄弱層的出現(xiàn)。而且地震時填充墻受到的破壞也會比連梁早，這樣便對主體結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用。另外，為了避免地震破壞時，填充墻對人員的傷害，填充墻應(yīng)該采用較為新型的輕質(zhì)材料，而且要設(shè)置一定的水平接續(xù)筋，使其與主體的連接更加可靠。

4 結(jié)語

我國高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多采用鋼筋混凝土形式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅具有較好的強(qiáng)度，還具有較好的整體性能。雖然鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在抗震性能上能夠表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計如果不合理，將直接影響到高層建筑的整體抗震性能。所以，應(yīng)該結(jié)合建筑的實際要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)而合理的設(shè)計。

[1]李宇進(jìn).高層建設(shè)主要構(gòu)件的延性設(shè)計及探討[J].浙江建筑，2013（08）：20-25.

[2]謝國.試論高層建筑框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計[J].河南科技，2013（07）：166-170.

[3]楊宗慧.高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（04）：303.

TU355

A

1673-1093（2015）04-0074-03

梁毅，就職于桂林市建筑設(shè)計研究院，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.04.016

2015-01-18；

2015-02-03