高層建筑抗震的延性設計研究原則

佟 瑤 陳子光 劉本山 陳 瑤*

（1、中國地震局工程力學研究所,中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱150080 2、黑龍江大學 建筑工程學院,黑龍江 哈爾濱150080）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,人們對建筑抗震安全的需求也日益增加,自然高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計就成為了當今研究的主流。地震作用下,建筑物是否安全可靠,不只是由承載能力決定的,反而更多地取決于整個結(jié)構(gòu)的變形性能,以及其吸收并耗散地震能量的能力。再者,我國規(guī)范規(guī)定,抗震結(jié)構(gòu)設計應以“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準設防要求為目標。

地震區(qū)的建筑物應設計為具有良好抗震性能的延性結(jié)構(gòu),防止出現(xiàn)脆性破壞,結(jié)構(gòu)的抗震性能的本質(zhì)就是結(jié)構(gòu)的延性性能。雖然結(jié)構(gòu)設計是以強度為基礎的,但想實現(xiàn)規(guī)范要求的“三水準”設防要求這一目標,單是考慮強度設計是無法到達的,抗震的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必須將延性結(jié)構(gòu)設計要求考慮進去。

2 延性設計

2.1 多道抗震防線

延性,指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件到達最大承載力后,而承載能力并沒有發(fā)生明顯下降的變形性能。在地震作用下,建筑物中的第一個屈服構(gòu)件在屈服過程中吸收并耗散了大量的地震能量,它是主要的耗能構(gòu)件。圖1 顯示了結(jié)構(gòu)的屈服過程[1]。在屈服點Y 之前,構(gòu)件處于彈性階段,在Y 點之后,部分構(gòu)件先進入屈服階段（彈塑性）,直至所有構(gòu)件都屈服,建筑物倒塌。Y 點之后的結(jié)構(gòu)屈服并不是立即喪失承載力,而是需要重新建立新的內(nèi)力平衡。Y 點是第一道防線,Y 點之后的新軸承是第二道、第三道防線……第n 道防線。

多道抗震防線能夠使結(jié)構(gòu)最大限度地吸收和耗散地震能量。當?shù)卣鹱吭街芷诤蛨龅刂芷谙嗤蛘呦嘟臅r候,會發(fā)生共振現(xiàn)象,如果建筑物有多道防線,可以有效避開或者降低共振,減輕地震災害。

地震系統(tǒng)應具有盡可能多的內(nèi)部和外部贅余,并有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)域。由于外部第一道防線率先承受地震的影響,原則上,不承受或承受較小軸向載荷的垂直支撐或填充墻,或軸向壓力較小的抗震墻和實心管應作為優(yōu)先選擇,而軸向壓力比較大的框架柱,不應該用作墻體的抗側(cè)向力構(gòu)件；第一道防線與其它不同地震防線的自然振動周期間應有明顯的差異,以減小共振的可能性。

圖1 屈服歷程、內(nèi)力與位移的關系

2.2 強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件

柱是框架結(jié)構(gòu)中的主要承重構(gòu)件,個別柱的失效都會引起整個建筑的全面倒塌,且作為偏壓結(jié)構(gòu),柱的變形能力遠小于梁。當?shù)卣鹪斐善茐臅r,我們需要保證框架具有足夠的豎向承載能力而免于或延后倒塌[2],那么就要使塑性鉸首先在梁端形成,盡量避免柱上出現(xiàn)塑性鉸,因為柱破壞后造成的危害更大,這樣能夠有足夠的時間疏散人員。

圖2 強柱弱梁示意圖

因此,設計時要求同一節(jié)點的上、下柱端截面極限抗彎承載力之和大于同一平面內(nèi)節(jié)點左、右梁端的極限抗彎承載力之和（圖2）。

柱端的組合設計值應符合：

式中,框架彎矩增大系數(shù)ηc：一級取1.4,二級取1.2,三級取1.1?？刂浦妮S壓比適中[3],保證柱有足夠的變形能力,使結(jié)構(gòu)在地震作用下不發(fā)生脆性破壞,保證柱壞而不倒。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剪切破壞[4]是脆性破壞,而適當配筋的彎曲破壞是塑性破壞,當構(gòu)件有足夠的延性時,可以給管理人員足夠的時間進行加固修復或者疏散人群,在地震過程中也能有效地避免人員傷亡。為了防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生剪切破壞,在設計時應該充分考慮構(gòu)件達到極限抗彎承載力時產(chǎn)生的最大剪力,梁端剪力設計值應符合：

式中,框架彎矩增大系數(shù)ηv：一級取1.3,二級取1.2,三級取1.1。在梁端部塑性鉸區(qū)長度內(nèi)加密箍筋可以改善梁的耗能性能。

節(jié)點是梁柱構(gòu)件的公共部分,一旦節(jié)點失效,意味著和它相連接的梁和柱同時失效。因此節(jié)點的承載力不應低于其他連接構(gòu)件的承載力。節(jié)點剪力設計值應符合：

式中,節(jié)點彎矩增大系數(shù)ηjb：一級取1.35,二級取1.2。

3 結(jié)論

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設計時,關鍵點在于結(jié)構(gòu)延性設計。相對結(jié)構(gòu)的抗震設計而言,“概念設計”比“計算設計”更為重要[5]。采用良好的概念設計方法以及合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施,就可以保證建筑結(jié)構(gòu)的延性性能,提高建筑物的抗震性能,達到“三水準”的設防要求。