高層建筑框架結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計分析

顧德永

【摘要】框架結(jié)構(gòu)是由梁、板、柱以及節(jié)點四個部分組成，其中梁、柱以及節(jié)點的延性決定了整個框架結(jié)構(gòu)的延性。因此，只要保證柱、梁和節(jié)點的延性就可以保證框架結(jié)構(gòu)的延性，從而確保了框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。本文主要是結(jié)合工程實際，對某高層的鋼筋混凝土底層框架柱進(jìn)行延性抗震設(shè)計，收到了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】框架柱；抗震；延性；有限元

1、工程簡介

某一高層建筑的主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地上25層，地下1層，結(jié)構(gòu)總高度88.1m，設(shè)防列度8度，丙類建筑，地下室內(nèi)部剪力墻很少（可忽略其作用），底層柱子計算長度4.60m，柱子凈高3.50m，框架抗震等級為一級，剪力墻抗震等級為一級。下面將對該工程底層框架柱延性抗震設(shè)計思路進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2、影響結(jié)構(gòu)延性的主要因素

梁是框架結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件之一，在抗震設(shè)計中要求塑性鉸首出現(xiàn)在梁端且又不能發(fā)生剪切破壞，同時還要防止由于梁筋屈服滲入節(jié)點而影響節(jié)點核心區(qū)的性能。試驗和理論分析表明，影響梁截面延性的主要因素如下所示：

（1）梁截面要求：梁寬不宜小于柱寬的1/2，且不≥200，梁的高寬比不宜>4，梁的跨高比不宜<4。

（2）梁縱筋配筋率：通過限制受拉配筋率可以避免剪跨比較大的梁在未達(dá)到延性要求之前梁端下部受壓區(qū)混凝土過早達(dá)到極限壓應(yīng)變而破壞。

（3）梁縱筋配置：梁端截面上縱向受壓鋼筋與縱向受拉鋼筋保持一定比例。

（4）梁端箍筋加密：抗震規(guī)范對此出了詳細(xì)規(guī)定。

柱是框架結(jié)構(gòu)中主要的受力構(gòu)件，要想提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，就必須確保構(gòu)件有足夠的延性，構(gòu)件延性好的框架結(jié)構(gòu)能吸收較多的地震能量，抗震性能就好。因此，在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)遵循強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計原則，使塑性鉸出現(xiàn)在梁端，以增強(qiáng)構(gòu)件的延性。節(jié)點是框架梁柱構(gòu)件的公共部分，節(jié)點的失效就意味著與之相連的梁與柱同時失效，所以對節(jié)點也應(yīng)予以足夠的重視[2]。

3、延性設(shè)計及抗震分析

延性設(shè)計主要是利用結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身的延性耗能能力來抵抗地震作用，也可以說成就是通過對結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)塑性鉸的部位進(jìn)行專門的延性設(shè)計，使基于多遇水準(zhǔn)地震作用的設(shè)計能夠滿足經(jīng)歷更大的地震而不會發(fā)生災(zāi)難性破壞[2]。

經(jīng)過初步建模運(yùn)算，該工程底層地下室大部分框架柱受力較大，因特殊使用要求，不能再增大柱子截面，也不能通過增加柱子數(shù)目和剪力墻數(shù)目來調(diào)整軸壓比。出于安全性考慮，可以利用構(gòu)造措施，通過對柱端進(jìn)行延性設(shè)計來保證柱端的延性能力，以達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)[3]。

3.1 軸壓比上限控制

對于框架柱，軸壓比是影響柱子受力性能的很重要的一個方面?？刂浦虞S壓比上限值可以保證柱端塑性鉸區(qū)具有必要的延性能力。

柱子的軸力在地震時是會變化的，既受豎向荷載影響，又受水平荷載影響，而軸力變化會引起柱子的瞬時的彎矩曲率關(guān)系發(fā)生變化，如下圖1所示。

從圖1中可知，軸力越大，柱子越容易處于小偏壓受力狀態(tài)。而小偏心受壓破壞時，受拉鋼筋沒有屈服，甚至受壓鋼筋也沒屈服，這種破壞是沒有延性的，在抗震設(shè)計時應(yīng)與以避免。所以，軸壓比

對柱子的延性能力的發(fā)揮有很大影響。因此，要控制柱子中的軸壓比不能太大，以便柱端延性能力的發(fā)揮。該工程在柱子截面大小和數(shù)目上均受到限制的條件下， 式（1）可知，可以考慮選擇適當(dāng)?shù)幕炷翉?qiáng)度等級，或者改變傳力路徑，使柱子受到的力更小。

3.2 控制剪跨比

剪跨比的大小決定了荷載作用下框架柱的破壞模式：當(dāng)剪跨比大于2時，框架柱在水平荷載作用下，一般發(fā)生延性較好的彎曲破壞；當(dāng)剪跨比小于2時，框架柱變?yōu)槎讨?，在水平荷載作用下，一般均發(fā)生剪切破壞，此時受拉鋼筋還沒有屈服，而受壓區(qū)的混凝土在較大的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下壓潰，從而發(fā)生脆性破壞。剪跨比對構(gòu)件的延性也有一定的影響，隨著剪跨比的增大，混凝土框架柱的破壞形態(tài)由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，從而使?gòu)件的延性也有所增加[2]。

該工程底層柱剪跨比λ=Hn/（2h）=3500/（2×600）=2.92>2，可以避免發(fā)生脆性的剪切破壞。

3.3 合理布置柱端約束箍筋

實驗及前期工程表明，配置箍筋較少的柱子，常發(fā)生大范圍的整體壓潰，呈現(xiàn)無延性破壞。根據(jù)這類破壞形態(tài)，沿柱高配置足夠數(shù)量的箍筋后，才能保證柱端塑性鉸的形成。在外力作用下，柱端截面可能承受兩個主軸方向的外力，從而使得混凝土全截面受損，柱端就要有足夠的箍筋約束。全截面的配箍，加強(qiáng)了柱端核心區(qū)混凝土的約束，使受壓混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和混凝土的受壓極限變形能力有所提高，更不容易壓潰，從而有利于柱端延性能力的發(fā)揮。對于軸壓比而言，減小了軸壓比，也對延性能力的發(fā)揮有利。此外，箍筋也參與到了柱端的抗剪，有利于塑性鉸在達(dá)到足夠的塑性轉(zhuǎn)動能力時不發(fā)生非延性剪切破壞，從而保證柱端延性能力。因此約束箍筋越多，改善延性的效果越好[3]。

該工程由于柱子受力較大，在滿足規(guī)范要求的前提下，可以考慮適當(dāng)加大箍筋的配筋率（體積配筋率），來提高柱子的延性。

3.4 合適的柱縱向鋼筋的配筋率

縱向鋼筋對塑性鉸的形成及塑性變形能力的發(fā)揮，至關(guān)重要，合適的縱向鋼筋的配筋率才能避免柱子發(fā)生無延性的小偏壓破壞。因此，為了避免地震作用下框架柱過早地進(jìn)入屈服階段，增大屈服時柱的變形能力，提高柱的延性和耗能能力，全部縱向鋼筋的配筋率不應(yīng)過小。研究也表明，柱延性隨著縱筋配筋率的增加而增大[4]。

因此，考慮到該工程的特殊使用要求，可以在滿足不超過最大配筋率的前提下，適當(dāng)加大縱向鋼筋配筋率。

總 結(jié)

經(jīng)過非線性有限元分析，經(jīng)過合理配筋的框架柱，在大軸壓比的情況下，柱子仍然具配足夠的延性。由此可見，在大軸壓比的情況下，選定合適的混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋等級后，控制框架柱軸壓比上限，滿足柱端約束箍筋的數(shù)量及構(gòu)造要求，并合理配置足夠的縱向鋼筋，仍然能夠保證框架柱具備足夠的延性，從而確保了框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅瑞琦.結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報. 2002（04）.

[2] 陳慶國. 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇. 2010（11）

[3] 郭繼武.建筑抗震設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社.2011

[4] 包高娃，麥拉蘇. 結(jié)構(gòu)延性與抗震設(shè)計[J]. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報. 2009（02）

[5] 馬鑫. 在多層框架抗震設(shè)計中幾個問題的探討[J]. 中國科技財富. 2009（08）