高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)

【摘要】加強(qiáng)構(gòu)造延性是改善建筑抗震性能的主要辦法，因此地震區(qū)的建筑構(gòu)造要設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)。為了可以更加有效的提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性的構(gòu)造延性，應(yīng)該針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震理念的設(shè)計(jì)予以進(jìn)一步的加強(qiáng)。建筑設(shè)計(jì)中使用合理有效的結(jié)構(gòu)抗震理念設(shè)計(jì)和辦法對(duì)結(jié)構(gòu)延性有著重大影響。

【關(guān)鍵詞】抗震設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；延性；

引言：抗震設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題就是鋼筋混凝土抗震結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)，可是到目前為止抗震設(shè)計(jì)依然不夠成熟。如果混凝土建筑物具備良好的延性結(jié)構(gòu)，那么延性結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)就可以吸收比較多的能量，就會(huì)較早的產(chǎn)生損壞情況，也可以經(jīng)受較大的變形，從而警醒眾人撤離該危險(xiǎn)區(qū)域；假如只是單單具有較高的強(qiáng)度卻沒(méi)有塑性的較脆性的建筑構(gòu)造，其吸收的能量就會(huì)相對(duì)較少，在遭受超過(guò)設(shè)計(jì)水平地震的作用時(shí)，就容易因?yàn)榇嘈缘钠茐膶?dǎo)致倒塌。因此，地震區(qū)的混凝土建筑，要把建筑構(gòu)造抗震延性設(shè)計(jì)做優(yōu)先考量。

1、建筑構(gòu)造抗震延性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

構(gòu)件與構(gòu)造在屈服后，具備承載力不降低或者幾乎不降低指的是結(jié)構(gòu)延性，也就是塑性變形能力。我們經(jīng)常用延性比來(lái)表示構(gòu)造的延性。延性比指的是最大許可變形和屈服變形之比，塑性變形能力的大小由它反映出來(lái)。它有4層結(jié)構(gòu)延性含義，其中包含：構(gòu)造總體延性；構(gòu)造樓層延性；構(gòu)件延性；桿件延性。μ=δp/δy（δp，δy是結(jié)構(gòu)延性的通常表達(dá)式，（如圖3所示）。而對(duì)于實(shí)測(cè)的荷載-變形曲線，怎樣決定其屈服變形與最大許可變形，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在都沒(méi)統(tǒng)一規(guī)范，通常傾向于：對(duì)應(yīng)于取理想彈塑性構(gòu)造開始屈服時(shí)的變形，作為屈服變形；取現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)極限荷載下或下降10%時(shí)的變形作為最大許可變形。

2、延性設(shè)計(jì)的重要性

現(xiàn)在，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的根本原則是：“ 小震不壞，中震可修，大震不倒”。假如把建筑物設(shè)計(jì)成在強(qiáng)烈地震作用下依然呈彈性反應(yīng)，那么建筑物的造價(jià)將是特別昂貴的。在現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中實(shí)行延性設(shè)計(jì)有著巨大的意義，我們可以從延性構(gòu)造的優(yōu)異性中深刻的體會(huì)到： 第一，破壞前有顯著預(yù)兆，破壞經(jīng)過(guò)緩慢，保證生命安全，財(cái)產(chǎn)損失減少，所以能使用偏小的計(jì)算安全可靠度。 第二，發(fā)生非預(yù)計(jì)荷載，比如有時(shí)超載，荷載反向，溫度升高或基礎(chǔ)沉降引發(fā)附加內(nèi)力等狀況下，有較強(qiáng)的承受與抗衡能力。第三，有利于完成超靜定構(gòu)造的內(nèi)力充足重部署。延性結(jié)構(gòu)允許構(gòu)件的一些臨界截面有必定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，變成塑性鉸范圍，發(fā)生內(nèi)力重部署，從而讓鋼筋混凝土超靜定構(gòu)造可以依塑性辦法實(shí)行設(shè)計(jì)，獲得有利的彎矩部署，讓配筋合理，節(jié)省材料，并且方便施工。第四，在承受動(dòng)力作用狀況下，可以把慣性力減小，吸收更大動(dòng)能，動(dòng)力反應(yīng)降低，破壞程度減輕，避免構(gòu)造倒塌和有利于修復(fù)。第五，延性結(jié)構(gòu)的后期變形能力，能夠作為各種意外狀況時(shí)的安全儲(chǔ)備。

3、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性抗震設(shè)計(jì)

1）強(qiáng)柱弱梁

人為增大柱相對(duì)于梁的抗彎能力，讓鋼筋混凝土框架在大震下，梁端塑性鉸產(chǎn)生較早，塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大是在達(dá)到最大非線性位移時(shí)；而柱端塑性鉸產(chǎn)生較晚，塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較小，甚至是在達(dá)到最大非線性位移時(shí)，幾乎不出現(xiàn)塑性鉸。從而確保框架具備一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的塑性耗能機(jī)構(gòu)大于塑性耗能能力。

2）強(qiáng)剪弱彎

剪切破壞幾乎沒(méi)有延性，一旦某位置出現(xiàn)剪切破壞，這位置就將完全退出構(gòu)造抗震能力，柱端的剪切破壞能夠造成結(jié)構(gòu)的部分或全體倒塌。所以能夠人為增大柱端、梁端、節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，讓結(jié)構(gòu)能在大震下的交替非彈性變形中使其構(gòu)件都不會(huì)先出現(xiàn)剪切破壞。框架構(gòu)造“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則關(guān)鍵，由設(shè)計(jì)剪力的計(jì)算、抗剪承載力計(jì)算公式的選擇和必要的構(gòu)造辦法來(lái)展現(xiàn)。

3）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固

梁柱節(jié)點(diǎn)是確?？蚣軜?gòu)造延性的主要位置，這就需要在梁結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮作用之前，框架節(jié)點(diǎn)與縱筋錨固不能太早破壞?？蚣芄?jié)點(diǎn)破壞關(guān)鍵是由于節(jié)點(diǎn)處重點(diǎn)區(qū)箍筋數(shù)目不夠，在剪力和壓力的一起作用下，節(jié)點(diǎn)重點(diǎn)區(qū)砼發(fā)生斜裂縫，箍筋屈服甚至拉斷，柱的縱筋被壓屈甚至拉斷而引發(fā)的。故我們可以通過(guò)確保重點(diǎn)區(qū)砼強(qiáng)度和配置充足數(shù)目的箍筋來(lái)避免節(jié)點(diǎn)重點(diǎn)區(qū)的太早剪切破壞，而強(qiáng)錨固要求則是通過(guò)在靜力設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上疊加必定的抗震附加錨固長(zhǎng)度，運(yùn)用鋼筋錨固端的機(jī)械錨固辦法等來(lái)完成的。為確保梁柱屈服后節(jié)點(diǎn)仍對(duì)其有限制作用，框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要嚴(yán)格依照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行。

4、保證建筑結(jié)構(gòu)抗震延性的整體措施

4.1框架梁對(duì)延性的構(gòu)造要求

設(shè)計(jì)框架梁時(shí)，控制梁端塑性鉸區(qū)具有較大的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，從而確?？蚣芰憾私孛婢邆涑渥愕那恃有?。隨截面受壓區(qū)高度減小而增大的是梁的延性，依據(jù)我國(guó)的試驗(yàn)探究結(jié)果與參考國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)把受壓區(qū)高度控制在0.25～0.35時(shí)，梁的位移延性能達(dá)到4.0～3.0左右。因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，χ≤0.25ho，二、三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，χ≤0.35ho，而且需要受壓鋼筋和受拉鋼筋之比控制在必須區(qū)域內(nèi)。為避免太多的縱向受拉鋼筋在地震中讓梁發(fā)生粘結(jié)劈裂破壞，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定ρs≤2.5%。

4.2框架柱對(duì)延性的構(gòu)造要求

框架結(jié)構(gòu)影響延性的主要原因是柱的軸壓比。柱的延性會(huì)隨著軸壓比加大而減小，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)小偏壓脆性破壞是因?yàn)檩S壓比超過(guò)界限值。在抗震設(shè)計(jì)中要控制柱的軸壓比不超過(guò)限值，讓其出現(xiàn)生大偏壓破壞并具備一定延性?？拐饦?biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于框架柱對(duì)應(yīng)于一、二、三級(jí)抗震時(shí)，軸壓比限值分別為0.65、0.75、0.85。這里規(guī)定的軸壓比限值系指柱軸壓力設(shè)計(jì)值和柱軸壓承載力設(shè)計(jì)值得比值。為避免地震作用下柱子少筋脆性破壞與超筋粘結(jié)劈裂破壞，柱的縱向配筋率不能少于0.8%、0.7%、0.6%、0.5%，角柱的上述限值相對(duì)提高0.1%；柱的縱向配筋最大距離不能超過(guò)200mm。

4.3箍筋的構(gòu)造要求

箍筋是保證構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，完成“強(qiáng)柱弱梁”與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)錨固” 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且對(duì)梁、柱塑性鉸區(qū)混凝土與受壓鋼筋提供限制作用，延緩塑性鉸的破壞經(jīng)過(guò)，從而提高構(gòu)造的延性與耗能能力。梁與柱的剪切破壞區(qū)以及彎壓塑性鉸區(qū)都出現(xiàn)在構(gòu)件的兩端，所以要加密構(gòu)件兩端的箍筋。加密區(qū)的結(jié)構(gòu)要求包含加密區(qū)的長(zhǎng)度、箍筋最小直徑、最大距離與最小體積率。其中柱加密區(qū)與節(jié)點(diǎn)的箍筋最小體積率和抗震等級(jí)、柱的軸壓比以及箍筋的類型有關(guān)。

5、結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，抗震等級(jí)越高，對(duì)建筑物要求愈高，對(duì)延性的需求也愈高。相信只要對(duì)建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)概念有所改進(jìn)和提高，就可以保證建筑構(gòu)造整體性，加強(qiáng)抗震的結(jié)構(gòu)延性性能，從而把混凝土建筑結(jié)構(gòu)變形的能力提高，確保整個(gè)建筑物能完成抗震設(shè)防。

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