鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)分析

李智明

中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司（430000）

0 前言

抗震性能是評(píng)價(jià)建筑穩(wěn)定性的主要參考指標(biāo)之一。具備良好抗震性能的建筑，能夠有效避免在發(fā)生地震時(shí)出現(xiàn)連續(xù)倒塌現(xiàn)象，從而維護(hù)業(yè)主安全，維護(hù)建設(shè)以及施工單位信譽(yù)與形象。在施工前進(jìn)行抗震延性設(shè)計(jì)，對(duì)建筑抗震性能的改善具有積極意義。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性

延性指的是在結(jié)構(gòu)超過(guò)彈性極限后，無(wú)明顯強(qiáng)度與剛度退化下的變形情況的現(xiàn)象?？拐鹧有灾傅膭t是在建筑受地震影響后，而未發(fā)生上述變形的現(xiàn)象。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)中，確?？拐鹧有赃_(dá)標(biāo)，有助于使地震發(fā)生時(shí)能量被逐漸消耗，從而減小對(duì)建筑本身的影響，確保結(jié)構(gòu)具有完整性。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本工程為高層建筑，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑共18層，總面積16 547 m2，包括地上16層，地下6層。其中，地上1～5層作為商用，5層以上為商住兩用，地下1～2層，均為停車(chē)場(chǎng)。本建筑處于地殼運(yùn)動(dòng)頻繁、板塊活動(dòng)量大的區(qū)域。受到上述地質(zhì)條件的影響，當(dāng)?shù)匕l(fā)生地震的風(fēng)險(xiǎn)高，因此，對(duì)建筑的抗震性能，通常具有更高的要求。與多層建筑相比，高層建筑的抗震設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，而當(dāng)前建筑行業(yè)又面臨著高層建筑數(shù)量增加、不斷侵占建筑市場(chǎng)的趨勢(shì)。考慮到上述問(wèn)題，本工程采用多種手段，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.2 有限元分析

2.2.1 倒塌過(guò)程分析

地震影響所導(dǎo)致的倒塌過(guò)程分析方法主要有4種，其方法的優(yōu)勢(shì)和缺陷具體如下。

方法1:線彈性靜力分析，優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單便捷，缺陷是應(yīng)用范圍窄。

方法2:線彈性動(dòng)力分析，優(yōu)勢(shì)是分析動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，缺陷是僅能夠分析小塑性變形。

方法3:非線性靜力分析，優(yōu)勢(shì)是考慮非線性因素，缺陷是無(wú)法計(jì)算復(fù)雜情況。

方法4:非線性動(dòng)力分析，優(yōu)勢(shì)是充分考慮各因素，缺陷是流程復(fù)雜。

結(jié)合本工程的需求與特征（工程本身無(wú)復(fù)雜計(jì)算過(guò)程），以及各項(xiàng)分析方法的優(yōu)勢(shì)與缺陷，工程考慮采用方法3，即非線性靜力分析，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震延性，進(jìn)行了有限元分析。

2.2.2 建立有限元模型

常見(jiàn)的用于建筑結(jié)構(gòu)有限元分析的模型，共包括兩種，分別為整體式以及分離式。為了保證分析結(jié)果準(zhǔn)確，本工程最終采取了后者對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?；谏鲜龇治龇椒ǎ竟こ坦步⒘?種Solid65單元，分別是4面體單元、5面體單元，以及6面體單元。需注意的是，3種單元均假設(shè)在無(wú)鋼筋情況下建立。

2.2.3 有限元求解

2.2.3.1 加載

首先，需將建筑結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)參數(shù)輸入到有限元分析軟件中[1]。在本工程中，主要利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

2.2.3.2 求解

當(dāng)加載完成后，即可進(jìn)行求解。由于工程所選擇的分析方式為非線性靜力分析，故需要從以下流程入手，完成求解過(guò)程:首先，建立網(wǎng)格，確定密度，選擇尺寸以及單元（文章所選單元為6面體單元）。其次，將混凝土壓碎，分析性能。最后，觀察收斂情況，了解結(jié)構(gòu)荷載。

2.3 對(duì)比分析

2.3.1 建立框架

在對(duì)比分析過(guò)程中，工程需首先建立鋼筋混凝土框架。建立框架后，需將相關(guān)參數(shù)輸入到仿真軟件中，通過(guò)不斷加載的方式，掌握結(jié)構(gòu)的荷載最大承受值。掌握上述指標(biāo)后，可以通過(guò)以下方案進(jìn)行分析:

1）縱筋不變，仍延續(xù)應(yīng)用原有參數(shù)（縱筋原參數(shù):屈服強(qiáng)度360 MPa，彈性模量2.3×105MPa，泊松比0.3。

2）簡(jiǎn)化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型，便于分析。

3）無(wú)需調(diào)整設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度，僅考慮箍筋直徑、強(qiáng)度及配筋間距等參數(shù)（箍筋原參數(shù):屈服強(qiáng)度270 MPa，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3。

2.3.2 結(jié)構(gòu)對(duì)比

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與對(duì)比的過(guò)程中，應(yīng)考慮到邊中柱失效以及角柱失效的問(wèn)題[2]。本工程通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)合上述兩項(xiàng)因素考慮，如對(duì)箍筋參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將達(dá)到改善建筑本身抗震延性的目的。而在箍筋各項(xiàng)參數(shù)之中，調(diào)整配筋間距，對(duì)抗震延性的影響最大，調(diào)整直徑的影響次之。需注意的是，必須對(duì)兩者進(jìn)行同時(shí)調(diào)整，方可達(dá)到目的。

2.4 設(shè)計(jì)方案

2.4.1 材料選擇

建筑的抗震延性，與其本身材料延性存在較大聯(lián)系，故建議選擇高延性混凝土以及鋼筋。單獨(dú)就鋼筋而言，應(yīng)保證其塑性變形能力強(qiáng)，此能力的計(jì)算公式如下:

公式中，F(xiàn)pl代表塑性變形，Mpl代表彎矩，L1代表長(zhǎng)度。

就混凝土而言，此材料的抗震延性，與其極限壓應(yīng)變能力有關(guān)，兩者呈正相關(guān)。可根據(jù)極限曲率，對(duì)鋼筋進(jìn)行選擇，極限曲率計(jì)算公式如下:

公式中，φ代表極限曲率，x、ξ分別代表受壓區(qū)域?qū)嶋H與相對(duì)高度，ε代表極限壓應(yīng)變，h代表截面高度。

2.4.2 結(jié)構(gòu)體系

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本工程將連續(xù)梁板體系應(yīng)用到了設(shè)計(jì)中，上述體系能夠充分滿足工程對(duì)抗震延性的需求。本工程基礎(chǔ)部分，主要采用“樓板——框架梁——框架柱——基礎(chǔ)”的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提升柱的承載力，可通過(guò)約束的方式，對(duì)其進(jìn)行處理。節(jié)點(diǎn)部分可通過(guò)錨固的方式提升穩(wěn)定性。為預(yù)防構(gòu)件失效，同時(shí)保證抗震延性達(dá)標(biāo)，需適當(dāng)對(duì)縱筋進(jìn)行調(diào)整，使屈服強(qiáng)度下降。

2.4.3 結(jié)構(gòu)布置

工程結(jié)構(gòu)布置的關(guān)鍵，在于對(duì)平面與立面進(jìn)行選擇，而兩者選擇的關(guān)鍵，則在于控制形狀。在高層建筑中，抗震延性的薄弱區(qū)域，一般處于框架梁位置。因此，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)上述位置進(jìn)行設(shè)計(jì)以及調(diào)整。本工程通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將框架梁高度控制在2.7 m時(shí)，抗震效果可達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，建筑梁體變形風(fēng)險(xiǎn)將有效下降，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也將明顯提升。通過(guò)對(duì)工程實(shí)踐的觀察發(fā)現(xiàn)，建筑遭遇地震后，倒塌的特點(diǎn)一般以連續(xù)性強(qiáng)為主。導(dǎo)致上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，與梁的長(zhǎng)度過(guò)大有關(guān)。故本工程在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，盡可能減小了梁的長(zhǎng)度，避免出現(xiàn)連續(xù)倒塌現(xiàn)象。

2.4.4 構(gòu)造處理

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)注重對(duì)保護(hù)層參數(shù)的控制，而需控制的參數(shù)一般以厚度為主。為了保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)配筋進(jìn)行嚴(yán)格控制，還需確保鋼筋之間能夠妥善連接。鋼筋接頭屬于對(duì)鋼筋進(jìn)行連接期間決定連接牢固性的主要因素之一。工程需根據(jù)需求，確定接頭所處的區(qū)域，對(duì)接頭數(shù)量進(jìn)行控制，應(yīng)避免過(guò)多或過(guò)少，最終提升建筑的抗震延性。在高層建筑中，部分縱筋較長(zhǎng)。為了避免出現(xiàn)連續(xù)倒塌現(xiàn)象，可適當(dāng)通過(guò)彎鉤設(shè)計(jì)的方式，保證設(shè)計(jì)效果[3]。另外，可適當(dāng)對(duì)錨固進(jìn)行調(diào)整。通常情況下，高層建筑錨固較短，而出于抗震延性考慮，則需要適當(dāng)增加上述參數(shù)，從而保證建筑質(zhì)量達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 設(shè)計(jì)效果

本工程經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)后，最終確定了施工方案，并將方案應(yīng)用到了工程建設(shè)中。建筑投入使用后，曾發(fā)生過(guò)1次地震，雖然地震等級(jí)不高，但建筑的抗震性能同樣明顯體現(xiàn)，內(nèi)部居民的生命與財(cái)產(chǎn)安全均得到了保證，表明設(shè)計(jì)成功。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程在建設(shè)前，通過(guò)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)的方式，有效提升了材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)布置及配筋構(gòu)造的合理性，不僅增強(qiáng)了抗震延性，且保證了業(yè)主安全，維護(hù)了工程的信譽(yù)與形象。在未來(lái)，建筑行業(yè)可以本工程為參考，在建立有限元模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比分析的方式，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，全面改善抗震延性設(shè)計(jì)效果，提升建筑質(zhì)量。