對框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

李占升

摘要：汶川地震的發(fā)生，使我們認(rèn)識到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，重新修訂了一些規(guī)范。新規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)計(jì)算更加復(fù)雜多樣，因此不可能一次完成，而應(yīng)當(dāng)從整體到局部、分層次完成。每步計(jì)算中又包含多次試算，在上一步計(jì)算取得合理結(jié)果以后，方可進(jìn)行下一步計(jì)算，以便使結(jié)構(gòu)計(jì)算過程科學(xué)化，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作效率。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；可靠度

前 言

抗震設(shè)防是指對建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)并采取一定的抗震構(gòu)造措施，以達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震的效果和目的?？拐鹪O(shè)防的依據(jù)是抗震設(shè)防烈度。抗震設(shè)防烈度是一個(gè)地區(qū)作為抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度，應(yīng)按國家規(guī)定權(quán)限審批或頒發(fā)的文件執(zhí)行。一般情況下，采用國家地震局頒發(fā)的地震烈度區(qū)劃圖中規(guī)定的基本烈度。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的目的是減輕建筑物的地震破壞、避免人員傷亡和減輕經(jīng)濟(jì)損失?？拐鹪O(shè)防水準(zhǔn)在很大程度上依賴于經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)水平，既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)費(fèi)投入為國家經(jīng)濟(jì)條件所允許，又要使震后經(jīng)過抗震技術(shù)設(shè)計(jì)的建筑物的破壞程度不超過人們所能接受的限度。

一、框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的思考

1.抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史

新中國以后，隨著人類對自然災(zāi)害的重視和科學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識到地震的危害，在修建建筑物的時(shí)候開始考慮結(jié)構(gòu)的抗震，國家頒布了許多關(guān)于抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范。我國正式頒布的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范有：《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)煩》TJ11-74（74規(guī)范）、《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)煩》TJ11-78（78規(guī)范）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ11-89（89規(guī)范）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001（2001規(guī)范），《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50223-2008（2008規(guī)范），《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（2010規(guī)范）。

2.框架結(jié)構(gòu)的震害

目前，我國地震區(qū)的工業(yè)與民用建筑中，大多采用多層框架、框架-剪力墻及剪力墻結(jié)構(gòu)體系。地震作用具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，要求在強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)仍保持在彈性狀態(tài)，不發(fā)生破壞是很不實(shí)際的；既經(jīng)濟(jì)又安全的抗震設(shè)計(jì)是允許在強(qiáng)烈地震作用下破壞嚴(yán)重，但不倒塌。因此，依靠彈塑性變形消耗地震的能量是抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提高結(jié)構(gòu)的變形、耗能能力和整體抗震能力，防止高于設(shè)防烈度的“大震”不倒是抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)。歷次地震經(jīng)驗(yàn)表明，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋一般具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)過合理的抗震計(jì)算并采取妥善的抗震構(gòu)造措施，在一般烈度區(qū)建造多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋是可以保證安全的，但是設(shè)計(jì)不良或施工質(zhì)量欠佳的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋在地震中遭遇震害的情況，亦不鮮見。主要震害如下：

2.1共振效應(yīng)引起的震害

框架結(jié)構(gòu)的自振周期與場地土的自振周期很接近，發(fā)生共振，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)破壞。

2.2結(jié)構(gòu)平面或豎向布置不當(dāng)引起的震害

一些框架廠房因平面形狀和剛度不對稱，在地震作用下容易產(chǎn)生顯著的扭轉(zhuǎn)，從而使角柱上下錯(cuò)位、斷裂。平面不規(guī)則的建筑物在地震中也易產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)破壞，其中角柱的破壞十分嚴(yán)重。雞腿式建筑物底層柱發(fā)生剪切破壞或脆性壓彎破壞，導(dǎo)致上部倒塌；豎向剛度分布不合理而導(dǎo)致中間層破壞或倒塌。

2.3框架柱、梁和節(jié)點(diǎn)的震害

未經(jīng)抗震設(shè)計(jì)的框架的震害主要反映在梁柱節(jié)點(diǎn)處。柱的震害重于梁；柱頂震害重于柱底；角柱震害重于內(nèi)柱；短柱震害重于一般柱。

2.4框架磚填充墻的震害

框架中嵌砌磚填充墻，容易發(fā)生墻面斜裂縫，并沿柱周邊開裂。端墻、窗間墻和門洞口邊角部位破壞更加嚴(yán)重。烈度較高時(shí)墻體容易倒塌。由于框架變形屬剪切型，下部層間位移大，填充墻震害呈現(xiàn)“下重上輕”的現(xiàn)象。填充墻破壞的主要原因是，墻體受剪承載力低，變形能力小，墻體與框架缺乏有效的拉結(jié)，因此在往復(fù)變形時(shí)墻體易發(fā)生剪切破壞和散落。

3.框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

較合理的框架地震破壞機(jī)制，應(yīng)該是節(jié)點(diǎn)基本不破壞，梁比柱屈服可能早發(fā)生、多發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜最晚形成。即：框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)盡可能分散，充分發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.1 抗震計(jì)算中的延性保證

從用樓層水平地震剪力與層間位移關(guān)系來描述樓層破壞的全過程可反映出，在抗震設(shè)防的第二、三水準(zhǔn)時(shí)，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件已進(jìn)入彈塑性階段，構(gòu)件在保持一定承載力條件下主要以彈塑性變形來耗散地震能量，所以框架結(jié)構(gòu)需有足夠的變形能力才不致抗震失效。試驗(yàn)研究表明，“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的框架結(jié)構(gòu)有較大的內(nèi)力重分布和能量消耗能力，極限層間位移大，抗震性能較好。

3.2 構(gòu)造措施上的延性保證

根據(jù)大地震實(shí)踐證明，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在大地震中要求保持足夠的承載能力來吸收進(jìn)入塑性階段而產(chǎn)生的巨大能量，因?yàn)榇藭r(shí)的結(jié)構(gòu)在震中進(jìn)入到一個(gè)塑性階段，容易產(chǎn)生變形。所以，根據(jù)這種特點(diǎn)和抗震的要求，多發(fā)地震的國家鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)均要求按延性框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證結(jié)構(gòu)局部薄弱區(qū)的承載力與剛度，保證了建筑構(gòu)造的整體性，延性的增加也就提高了變形能力，這樣可以減少地震的破壞性，提高了建筑的抗震能力。

3.2.1 限制軸壓比和合理配筋

限制軸壓比與縱筋最大配筋率合理的受力過程可明顯提高構(gòu)件延性，為實(shí)現(xiàn)受拉鋼筋的屈服先與受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài)，以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，規(guī)范限制軸壓比與縱筋最大配筋率，同時(shí)對混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。

3.2.2 限制約束配筋和配筋形式

加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距是很重要的一點(diǎn)，為保證“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)底層柱底”和“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則及塑性鉸區(qū)域的局部延性，有必要加密塑性鉸區(qū)內(nèi)的箍筋間距，這不但可提高柱端抗剪能力，還可約束核心區(qū)內(nèi)混凝土，對縱向鋼筋提供側(cè)向支承，防止大變形下縱筋壓曲，從而改善塑性鉸區(qū)域的局部延性。規(guī)范對約束區(qū)縱筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區(qū)域的最小長度等做出了詳細(xì)的規(guī)定，并對箍筋肢距及箍筋形式提出了相應(yīng)要求。

二、結(jié)束語

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，歷年震害資料表明：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱端與節(jié)點(diǎn)的破壞較為嚴(yán)重，其抗震設(shè)計(jì)中必須滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”、“強(qiáng)底層柱底”等延性設(shè)計(jì)原則和有關(guān)規(guī)定。在多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)的實(shí)踐中，由于設(shè)計(jì)人員對規(guī)范的理解和掌握尺度上，以及因地因人在結(jié)構(gòu)選型、布置以及計(jì)算方法上相互差異較多而對設(shè)計(jì)產(chǎn)生較多的爭議，抗震設(shè)計(jì)方法值得深入研究。

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