中美規(guī)范鋼筋混凝土框架延性設(shè)計(jì)的對(duì)比研究

羅彬紅，楊 眉

(中國(guó)能源建設(shè)股份有限公司，北京 朝陽，100022)

中美規(guī)范鋼筋混凝土框架延性設(shè)計(jì)的對(duì)比研究

羅彬紅，楊 眉

(中國(guó)能源建設(shè)股份有限公司，北京 朝陽，100022)

針對(duì)影響鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性的主要因素，對(duì)中美規(guī)范進(jìn)行對(duì)比。指出中國(guó)規(guī)范的延性設(shè)計(jì)較美國(guó)規(guī)范更具體明確，具有針對(duì)性。

中美規(guī)范 鋼筋混凝土 框架延性 設(shè)計(jì)

1 前言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)，主要遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的理念，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)對(duì)構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，影響結(jié)構(gòu)延性的因素還有材料、構(gòu)件截面尺寸、縱向配筋、箍筋加密、體積配箍率、軸壓比等。本文根據(jù)中國(guó)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010及美國(guó)規(guī)范《Minimum Design Loads for Buildingsand Other Structures》ASCE7-10及《BuildingCodeRequirementsforstructuralconcrete》ACI318-11，對(duì)影響鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性的各因素進(jìn)行了比較，供境外工程參考。

2 延性設(shè)計(jì)與抗震等級(jí)的關(guān)系

GB50011根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、建筑高度，將鋼筋混凝土房屋分為一、二、三、四抗震等級(jí)，結(jié)構(gòu)的延性程度依次下降，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，直接針對(duì)劃分的抗震等級(jí)進(jìn)行。

ASCE7根據(jù)1秒周期的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度參數(shù)SD1、1秒周期最大考慮地震反應(yīng)譜加速度參數(shù)S1、建筑的危險(xiǎn)等級(jí)等，將建筑的抗震等級(jí)分為A、B、C、D、E、F等級(jí)，結(jié)構(gòu)的延性依次提高。

ASCE7將鋼筋混凝土框架分為特殊抗彎框架、中等抗彎框架、普通抗彎框架，并且規(guī)定了各結(jié)構(gòu)類型在不同抗震等級(jí)下的結(jié)構(gòu)高度限值材料。

3 材料

3.1 混凝土

GB50011規(guī)定，混凝土強(qiáng)度不應(yīng)低于C30(fck=20.1MPa)，9度時(shí)不宜超過C60，8度時(shí)不宜超過C70。

ACI318規(guī)定，對(duì)于特殊抗彎框架，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于3000psi(fc’=20.7MPa)；其他等級(jí)的框架與非抗震結(jié)構(gòu)不應(yīng)低于2500psi(fc’=17.3MPa)。

規(guī)定混凝土的最低強(qiáng)度，是為了保證構(gòu)件截面的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，限制混凝土的最高強(qiáng)度，主要考慮到高強(qiáng)混凝土的脆性問題。中國(guó)規(guī)范對(duì)混凝土的最低和最高強(qiáng)度均進(jìn)行了要求，而美國(guó)規(guī)范僅對(duì)最低強(qiáng)度進(jìn)行了要求。

GB50011的軸向抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck值由邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件測(cè)得，ACI318的規(guī)定抗壓強(qiáng)度fc’由直徑6英寸高12英寸的圓柱體測(cè)得。對(duì)于C30混凝土，換算的fc’為25MPa，因此，中國(guó)規(guī)范對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的要求是完全滿足美國(guó)規(guī)范的。

3.2 鋼筋

ACI318中，對(duì)特殊抗彎框架抗剪鋼筋的強(qiáng)度提出了要求，屈服強(qiáng)度不大于413MPa；特殊抗彎框架柱的橫向鋼筋(箍筋)屈服強(qiáng)度不大于689MPa。

需要引起注意的是，ACI318中的fy為規(guī)定的屈服強(qiáng)度，與中國(guó)規(guī)范的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)。從目前的材料使用情況看，按中國(guó)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，鋼筋性能是符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的。

3.3 鋼筋接頭

機(jī)械連接分為兩種類型，①類型1，接頭強(qiáng)度至少為1.25fy；②類型2，接頭強(qiáng)度至少為1.25fy，并且能發(fā)揮鋼筋規(guī)定的抗拉強(qiáng)度。類型1接頭不允許應(yīng)用在從柱或梁表面算起2倍構(gòu)件高度范圍內(nèi)，或從鋼筋屈服截面算起2倍構(gòu)件高度范圍內(nèi)；類型2接頭允許應(yīng)用在任何位置。焊接接頭強(qiáng)度至少為1.25fy，焊接接頭的應(yīng)用范圍與機(jī)械連接類型1相同。

美國(guó)規(guī)范中，焊接接頭和機(jī)械連接接頭類型1的位置受到了嚴(yán)格限制，是因?yàn)樵跇?gòu)件的屈服區(qū)域，鋼筋的應(yīng)力可能接近抗拉強(qiáng)度，而這兩類接頭達(dá)不到該強(qiáng)度，存在接頭破壞的危險(xiǎn)。

對(duì)于機(jī)械連接接頭，中國(guó)規(guī)范的Ⅲ級(jí)與美國(guó)規(guī)范的類型2等同，Ⅱ級(jí)與類型1等同，Ⅰ級(jí)是更高的級(jí)別。

4 構(gòu)件的內(nèi)力調(diào)整

4.1 梁端剪力調(diào)整

調(diào)整梁端剪力的目的是實(shí)現(xiàn)梁的強(qiáng)剪弱彎，中美規(guī)范均對(duì)梁端剪力進(jìn)行了調(diào)整。

(1)

GB50011中，一、二、三級(jí)框架梁，可按公式(2)進(jìn)行調(diào)整，公式中，為梁端剪力增大系數(shù)，一級(jí)取1.3，二級(jí)取1.2，三級(jí)取1.1；分別為梁左右端反時(shí)針或順時(shí)針方向組合的彎矩設(shè)計(jì)值；

(2)

ACI318中，僅對(duì)特殊抗彎框架的梁端剪力進(jìn)行了調(diào)整，見公式(3)。公式中，Mprl、Mpr2為梁或柱梁端的可能抗彎強(qiáng)度，此時(shí)縱向鋼筋發(fā)揮的強(qiáng)度為1.25fy；ln為梁凈跨；wu為梁上均布荷載。

Ve=(Mpr1+Mpr2)/ln±wuln/2

(3)

中國(guó)規(guī)范的一級(jí)框架梁，有兩種梁端剪力調(diào)整方式，一是根據(jù)梁端的組合彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整；二是根據(jù)實(shí)配鋼筋正截面受彎承載力進(jìn)行調(diào)整。美國(guó)規(guī)范的特殊抗彎框架采用根據(jù)梁端的可能抗彎強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，與中國(guó)規(guī)范的第二種方法類似。在計(jì)算正截面的抗彎強(qiáng)度時(shí)，中國(guó)規(guī)范采用的是鋼筋屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，而美國(guó)規(guī)范采用的是1.25fy，但中國(guó)規(guī)范公式(1)中有1.1的系數(shù)，總的來講，美國(guó)規(guī)范調(diào)整的剪力偏大一些。

4.2 柱端剪力調(diào)整

(4)

(5)

ACI318中，僅對(duì)特殊抗彎框架柱端剪力進(jìn)行了調(diào)整，見公式(6)。式中，Mpr1、Mpr2為柱端可能彎矩。

Ve=(Mpr1+Mpr2)/lu

(6)

GB50011中，一級(jí)框架的柱端剪力調(diào)整有兩種方式，一是根據(jù)柱端的組合彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)整；二是根據(jù)柱實(shí)配鋼筋正截面受彎承載力進(jìn)行調(diào)整。美國(guó)規(guī)范的特殊抗彎框架采用根據(jù)柱端的可能抗彎強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，與中國(guó)規(guī)范的第二種方法類似。中國(guó)規(guī)范鋼筋強(qiáng)度采用屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，而美國(guó)規(guī)范采用的是規(guī)定屈服強(qiáng)度的1.25倍，中國(guó)規(guī)范公式(4)的右側(cè)有1.2的系數(shù)，因此，中美規(guī)范最后調(diào)整的幅度大致相當(dāng)。

4.3 柱端彎矩調(diào)整

GB50011中，一、二、三、四級(jí)框架，柱端組合的彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)符合公式(7)。式中，ΣMc為節(jié)點(diǎn)上下柱端截面順時(shí)針或反時(shí)針方向組合的彎矩設(shè)計(jì)值之和；ΣMb為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面順時(shí)針或反時(shí)針方向組合的彎矩設(shè)計(jì)值之和；為框架柱端彎矩增大系數(shù)，一、二、三、四級(jí)分別取1.7、1.5、1.3、1.2。

ΣMc=ηcΣMb

(7)

GB50011，一級(jí)的框架結(jié)構(gòu)，可按公式(8)進(jìn)行調(diào)整。式中，ΣMbuα為節(jié)點(diǎn)左右梁端截面反時(shí)針或順時(shí)針方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對(duì)應(yīng)的彎矩值之和。

ΣMc=1.2ΣMbuα

(8)

ACI318中，僅對(duì)特殊抗彎框架的柱端彎矩進(jìn)行了調(diào)整，見公式(9)。式中，ΣMnb、ΣMnc分別為節(jié)點(diǎn)處梁端、柱端名義抗彎強(qiáng)度之和。

ΣMnc≥(6/5)ΣMnb

(9)

公式(7)和公式(9)采用相同的方式對(duì)柱端彎矩進(jìn)行調(diào)整，中國(guó)規(guī)范調(diào)整的幅度明顯比美國(guó)規(guī)范大。

5 軸壓比

6 體積配箍率

體積配箍率是影響構(gòu)件延性的重要因素，中美規(guī)范均對(duì)此做出了規(guī)定。

GB50011中，柱箍筋加密區(qū)箍筋體積配箍率應(yīng)符合公式(9)。公式中，λv為最小配箍特征值，fyv為箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

ρv≥λvfc/fyv

(9)

ACI318中，柱箍筋加密區(qū)的箍筋體積配箍率應(yīng)符合公式(10)。

(10)

公式(9)和公式(10)很相似，公式(10)右側(cè)的0.12相當(dāng)于公式(9)中的λv，是個(gè)定值，而公式(9)中的λv則根據(jù)抗震等級(jí)、柱軸壓比取不同的值。

7 結(jié)論

中美兩國(guó)在鋼筋混凝土框架的延性設(shè)計(jì)理念和構(gòu)造措施上并沒有本質(zhì)的區(qū)別，最大的區(qū)別在于，美國(guó)規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性不同，將結(jié)構(gòu)用反應(yīng)修正系數(shù)R對(duì)地震力進(jìn)行折減，延性好的結(jié)構(gòu)地震力小，結(jié)構(gòu)較柔，較早屈服且變形能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的耗能能力。而按中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)，對(duì)于同一場(chǎng)地，如果將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成不同的抗震等級(jí)，則抗震等級(jí)高的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面更大，但延性更好，變形能力強(qiáng)，大震時(shí)安全度也更大，這一點(diǎn)應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的高度重視。

羅彬紅(1975.08-)，男，湖北安陸人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師，現(xiàn)工作于中國(guó)能源建設(shè)股份有限公司。

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TU375∶TU318.4

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2095-1809(2017)03-0098-03