鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形能力的研究

【摘要】針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的剛度滿足層間位移角限值的要求。本文分析了RC結(jié)構(gòu)各類體系的彈性和彈塑性層間位移角，并研究了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度及變形能力。對實際工程中遇到的各類結(jié)構(gòu)體系，指出了如何控制結(jié)構(gòu)的層間位移，增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使其具有足夠的抗變形能力。

【關(guān)鍵詞】變形能力；剛度；層間位移；結(jié)構(gòu)體系；變形成分

1、引言

改革開放以來，隨著我國大規(guī)模城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速推進，房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)體系的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。RC結(jié)構(gòu)包括框架、框架-剪力墻、剪力墻、筒體等結(jié)構(gòu)體系，各種結(jié)構(gòu)在工程合理應(yīng)用中，要做到安全適用、經(jīng)濟合理、力學(xué)模型和概念設(shè)計的科學(xué)合理性；同時，隨著時代的進步，各種高層建筑結(jié)構(gòu)的高度越來越高，高寬比的增大，結(jié)構(gòu)的剛度也越來越小。在正常使用條件下，高層結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度，滿足舒適度的要求，避免產(chǎn)生過大的位移而影響結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性。RC結(jié)構(gòu)體系不但要具備必要的強度，也要具備良好的延性或剛度，因此完全有必要開展RC結(jié)構(gòu)變形能力及抗震性能研究。

2、彈性層間位移角

層間位移角是控制結(jié)構(gòu)整體剛度和不規(guī)則性的主要指標。依據(jù)國內(nèi)外大量的試驗研究和有限元分析結(jié)果，以框架柱、抗震墻等抗側(cè)力構(gòu)件開裂時的層間位移角作為彈性層間位移角限值。在風荷載或多遇地震作用下的層間位移角，不扣除整體彎曲轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的側(cè)移，可不考慮偶然偏心的影響。限制建筑物，特別是高層建筑的層間位移角主要目的有兩點：一是保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，避免混凝土剪力墻、框架柱受力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或控制連梁、框架梁等樓面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫超過規(guī)范允許的范圍；二是保證填充墻和各種管線等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好，避免產(chǎn)生明顯的損傷。

在風荷載或水平地震力作用下，框架結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)為剪切型，帶有剪力墻或筒體的框架-剪力墻、框架-核心筒等高層結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)為彎剪型，剪力墻結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)為彎曲型。各種類型的結(jié)構(gòu)體系、主要抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸（框架梁、柱和剪力墻等）、RC構(gòu)件的實際配筋及其徐變收縮和塑性內(nèi)力重分布等是影響結(jié)構(gòu)剛度大小的主要因素。由于不同的結(jié)構(gòu)體系，側(cè)向剛度差異較大，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，應(yīng)按剛度由小到大的順序采用結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)中。

2.1 框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角

框架結(jié)構(gòu)布置靈活、可形成大的使用空間、施工簡便且較為經(jīng)濟，但其抗側(cè)剛度較小，耗能能力小，其側(cè)移較大。實際工程中，在6度、7度抗震設(shè)防的寧波、舟山等地區(qū)，多層商品住宅中往往采用框架結(jié)構(gòu)，而小高層住宅中一般采用框架-剪力墻及剪力墻結(jié)構(gòu)。風荷載或多遇地震作用下的框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/550；在彈性階段，梁的彎曲變形引起的層間位移所占的比例較大，要考慮柱子彎曲變形引起的層間位移成分，但可以忽略梁和柱的剪切變形引起的層間位移的影響。

2.2 以剪力墻為主要抗側(cè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系的彈性層間位移角

高層建筑RC結(jié)構(gòu)要對豎向承重結(jié)構(gòu)的形式進行選擇。隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑高度越建越高，為了滿足建筑物高度和層數(shù)增加時對剛度的需求，逐步采用整體剛度越來越大的框架-剪力墻、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-筒體、筒中筒結(jié)構(gòu)等。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點；剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、側(cè)移小、室內(nèi)墻面平整，但平面布置不夠靈活、結(jié)構(gòu)自重較大、造價較高，適合在高層旅館和高層住宅中采用。筒體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大，整體性強，筒體結(jié)構(gòu)中的核心筒剪力墻和一般框架-剪力墻的剪力墻不同，由于剪力墻組成筒體，筒體的側(cè)向剛度更大，變形能力更強，適合在更大高度的超高層建筑中使用。從《抗規(guī)》5.5.1條可以看出，水平力作用下的框架-剪力墻、框架-核心筒彈性層間位移角限值為1/800，剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)則為1/1000，即結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度越大，相應(yīng)的層間位移角限值越嚴。

3、彈塑性層間位移角

限制結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角，主要是為避免結(jié)構(gòu)在大震作用下的倒塌。結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角的最大值一般出現(xiàn)在薄弱層部位，因此，結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算本質(zhì)上就是對結(jié)構(gòu)薄弱層部位的彈塑性變形驗算。

在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，當有足夠的剪力墻時，剪力墻是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，是結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，在設(shè)防地震、罕遇地震作用下先于框架破壞；其框架部分是次要的抗側(cè)力構(gòu)件，屬于結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線。罕遇地震作用下的框架結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值為1/50，框架-剪力墻、框架-核心筒結(jié)構(gòu)則為1/100，剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)則為1/120。

4、工程實例小結(jié)

在實際工程中，對建筑結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度控制，主要通過控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移來實現(xiàn)。側(cè)向位移小，則結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較大。對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的控制，實際上是對構(gòu)件截面大小、結(jié)構(gòu)剛度大小的宏觀控制；而混凝土強度、豎向分布鋼筋配筋率的增加，對結(jié)構(gòu)的變形能力也逐漸有利。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)控制薄弱層部位的剛度，使其既有足夠的抗變形能力，又不使薄弱層位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，達到提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的目的。

在梁-柱（墻）組合體試件為剛性的常規(guī)結(jié)構(gòu)體系中， 節(jié)點區(qū)無任何位移和內(nèi)部變形，不考慮核心區(qū)變形引起的變形成分對層間位移的影響；當層間位移角限值不滿足規(guī)范時，建議加大柱、剪力墻截面尺寸，其改善效果相對明顯，同時體現(xiàn)了“強柱弱梁”的設(shè)計原則，增強了柱抗彎能力。而在大型工業(yè)廠房的框架結(jié)構(gòu)與有轉(zhuǎn)換梁的高層結(jié)構(gòu)中，由于存在非剛性的異型梁-柱（墻）組合體試件，在進行“罕遇”地震作用下彈塑性分析時要充分考慮節(jié)點核心區(qū)剪切變形的變形成分對層間位移的影響，故工程師在設(shè)計此類結(jié)構(gòu)時，應(yīng)使經(jīng)過PKPM等結(jié)構(gòu)分析軟件的力學(xué)模型其層間位移角的計算結(jié)果比規(guī)范中限值盡量小多些，使其保持一定的安全儲備，使實際層間位移角能滿足規(guī)范限值要求。

在高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計中，當抗側(cè)力剛度不能滿足設(shè)計要求時，通常可設(shè)置避難層和設(shè)備層以控制結(jié)構(gòu)位移。加強層的引入，不但可以增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，控制結(jié)構(gòu)位移，還可以調(diào)節(jié)傾覆彎矩在核心筒和外框之間的分配比例，降低核心筒傾覆彎矩。

隨著高層建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度越來越小，周期越來越長，結(jié)構(gòu)在水平力作用下的整體穩(wěn)定逐步成為其設(shè)計的主導(dǎo)因素之一。當高層結(jié)構(gòu)超過一定高度后，地震作用和風荷載引起的層間位移限值將可能不對結(jié)構(gòu)剛度起控制作用，而結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定成為結(jié)構(gòu)剛度控制的主導(dǎo)因素，結(jié)構(gòu)剛度雖能滿足層間水平位移限值，但有可能不滿足整體穩(wěn)定要求。故在實際工程設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師在執(zhí)行規(guī)范相關(guān)條文時，一定要充分重視。

參考文獻：

[1]郭子雄. 基于變形的抗震設(shè)計理論及應(yīng)用研究[D]. 上海： 同濟大學(xué)， 2000，6.

[2]孫賢洋. RC框架變梁異型梁-柱組合體試件變形能力及抗震性能研究[D]. 西安： 長安大學(xué)， 2010，1.

[3]姚顯貴. RC框架變梁變柱異型中節(jié)點抗震性能試驗研究[D]. 西安： 長安大學(xué)， 2009，5.

[4]建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2010.