砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)探討

張 志 俊

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

在現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)體系中，砼框架結(jié)構(gòu)是常用的房屋結(jié)構(gòu)體系。砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)是砼框架結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)方法和抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展的基礎(chǔ)。砼框架結(jié)構(gòu)的延性是指砼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入破壞階段后, 在承載能力沒有顯著下降的情況下承受塑性變形的能力。也就是說, 延性反映的是砼框架結(jié)構(gòu)后期的塑性變形能力, 即是從鋼筋開始屈服進(jìn)入破壞階段直至最大承載力時(shí)整個(gè)過程結(jié)構(gòu)的塑性變形能力。砼框架結(jié)構(gòu)延性的發(fā)揮是以結(jié)構(gòu)在承載力極限狀態(tài)下出現(xiàn)梁端塑性鉸產(chǎn)生顯著的塑性變形為標(biāo)志[1]。混凝土框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞可分為脆性破壞(受壓破壞)和延性破壞(受拉破壞)兩種，其中脆性破壞(受壓破壞)是突然性的，在破壞前不能給人以警示，危害非常大，在設(shè)計(jì)上一定要避免出現(xiàn)此種情況；而延性破壞(受拉破壞)是指構(gòu)件承載力沒有顯著降低的情況下，經(jīng)歷很大的非線性變形后所發(fā)生的破壞，在破壞前能給人以警示，是規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)破壞類型，在砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是通過砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)確保砼框架結(jié)構(gòu)超載時(shí)實(shí)現(xiàn)延性(受拉破壞)。

1 砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的重要性

目前，我國抗震設(shè)計(jì)的基本原則是：“小震不壞，中震可修，大震不倒。”雖然《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)引入了抗震性能化設(shè)計(jì)，抗震性能化設(shè)計(jì)是我國抗震設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢，但是目前在實(shí)際工程中對砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)大部分工程仍然采用與我國目前經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)的低承載力高延性設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)大震不壞的抗震設(shè)防目標(biāo)需要砼框架結(jié)構(gòu)在大震作用下仍然處于彈性狀態(tài)，由于砼框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)大震作用不一定出現(xiàn)，高承載力低延性的抗震設(shè)計(jì)會(huì)使砼框架結(jié)構(gòu)造價(jià)高，與我國目前經(jīng)濟(jì)水平不相適應(yīng)，且砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般未考慮出現(xiàn)的非預(yù)計(jì)荷載可以通過砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)確保砼框架結(jié)構(gòu)超載時(shí)實(shí)現(xiàn)延性破壞，因此目前進(jìn)行砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)意義仍然十分重大。

(1)對于砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般未考慮非預(yù)計(jì)荷載，例如偶然超載，溫度升高或基礎(chǔ)沉降引起附加內(nèi)力等情況下，有較強(qiáng)的承受和抗衡能力，延性材料的后期變形能力可作為出現(xiàn)非預(yù)計(jì)荷載情況的安全儲備。

(2)有利于實(shí)現(xiàn)砼框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力充分重分布。砼框架結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與截面的抗彎剛度有關(guān)，若把砼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為延性結(jié)構(gòu)，則隨著荷載的增加，將在砼框架結(jié)構(gòu)梁端首先出現(xiàn)裂縫，引起梁各截面之間相對剛度發(fā)生變化,因而導(dǎo)致砼框架梁中內(nèi)力重分布。在砼框架結(jié)構(gòu)梁端受拉鋼筋屈服后,表現(xiàn)在砼框架結(jié)構(gòu)梁端出現(xiàn)塑性鉸,由于砼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸出現(xiàn),改變了砼框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖,砼框架結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著的內(nèi)力重分布,得到有利的彎矩分布，使配筋合理，節(jié)約材料，而且便于砼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)施工。

(3)有利于增強(qiáng)砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力,結(jié)構(gòu)的塑性變形能力越大,結(jié)構(gòu)的剛度就越小,受到的地震作用就越小,對于有抗震設(shè)防要求的框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的延性有利于吸收和耗散地震能量,減少地震作用效應(yīng)。通過在小地震作用下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時(shí)延性框架設(shè)計(jì),減少中、大地震對砼框架結(jié)構(gòu)作用效應(yīng),增強(qiáng)砼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,滿足砼框架結(jié)構(gòu)大震不倒的抗震設(shè)防要求。

2 砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的條件

(1)要實(shí)現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須保證梁柱構(gòu)件有足夠的延性。砼梁剪切破壞是脆性破壞，砼柱小偏心受壓破壞是脆性破壞，脆性破壞中延性很小，因此砼梁要避免出現(xiàn)剪切破壞，砼柱要避免出現(xiàn)小偏心受壓破壞。

(2)要實(shí)現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須保證塑性鉸出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)梁端。因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)梁端出現(xiàn)塑性鉸，只會(huì)改變框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖而不會(huì)形成機(jī)構(gòu)。

(3)要實(shí)現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須保證塑性鉸不出現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)的柱中。因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)的柱中出現(xiàn)塑性鉸容易形成機(jī)構(gòu)，如果在同一層柱上下兩端出現(xiàn)塑性鉸，則該層變形迅速加大，成為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而倒塌。

(4)要實(shí)現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須保證節(jié)點(diǎn)區(qū)不出現(xiàn)剪切破壞，支座連接和錨固不出現(xiàn)破壞。因?yàn)榱褐休d力和變形能力得以充分發(fā)揮是以節(jié)點(diǎn)區(qū)不出現(xiàn)剪切破壞，支座連接和錨固不出現(xiàn)破壞為前提。

3 砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)方法

3.1 建立梁式側(cè)移破壞機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的延性

在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設(shè)計(jì)中，由于砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設(shè)計(jì)對延性要求不高，是運(yùn)用彎矩調(diào)幅法去實(shí)現(xiàn)砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)。彎矩調(diào)幅法是對在彈性分析法中框架承受豎向荷載作用產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行調(diào)整, 考慮到框架梁支座截面出現(xiàn)塑性鉸, 將框架梁支座截面負(fù)彎矩調(diào)整降低，再與在彈性分析法中框架承受水平荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行組合，得最不利內(nèi)力為設(shè)計(jì)內(nèi)力的一種考慮塑性內(nèi)力重分布的計(jì)算方法。彎矩調(diào)幅法通過降低框架承受豎向荷載作用時(shí)框架梁產(chǎn)生的支座截面負(fù)彎矩，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉、強(qiáng)柱弱梁”[2]四強(qiáng)四弱設(shè)計(jì)原則，滿足砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)條件，使砼框架結(jié)構(gòu)在超載時(shí)出現(xiàn)梁端塑性鉸實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)。

在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，運(yùn)用兩階段設(shè)計(jì)法通過采取抗震措施去實(shí)現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在第一階段設(shè)計(jì)中在眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時(shí)通過抗震措施中內(nèi)力調(diào)整措施的采取來設(shè)計(jì)延性框架,不同抗震等級框架延性設(shè)計(jì)要求不同,抗震措施中內(nèi)力增大系數(shù)不同。兩階段設(shè)計(jì)法通過第一階段設(shè)計(jì)中增大不同抗震等級框架在眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時(shí)砼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件各控制截面內(nèi)力,實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉、強(qiáng)柱弱梁”四強(qiáng)四弱設(shè)計(jì)原則，滿足砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)條件，使其在遭受本地區(qū)規(guī)定的設(shè)防烈度的地震影響時(shí),砼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài),梁端形成塑性鉸,滿足第二水準(zhǔn)基本烈度的設(shè)防要求,做到中震可修;在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí),滿足第三水準(zhǔn)——罕遇烈度設(shè)計(jì)要求(不發(fā)生倒塌),砼框架結(jié)構(gòu)在遭受中、大地震影響破壞時(shí)形成梁式側(cè)移機(jī)構(gòu)。

3.2 提高構(gòu)件截面延性,通過增強(qiáng)梁鉸機(jī)制下塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力來實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的延性

在截面設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)對截面延性的不同要求采取構(gòu)造措施增強(qiáng)塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設(shè)計(jì)中，由于在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設(shè)計(jì)中對延性設(shè)計(jì)要求不高，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性的主要措施有:可選用塑性變形大的鋼筋和砼為材料;可限制縱向受拉鋼筋配筋率,規(guī)定受壓鋼筋受拉鋼筋的比例去控制受壓區(qū)高度，增強(qiáng)框架梁支座截面塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力;可在易出現(xiàn)塑性鉸的梁端和柱端加密箍筋去增強(qiáng)砼塑性變形能力，在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設(shè)計(jì)中構(gòu)造措施的采取應(yīng)符合砼框架結(jié)構(gòu)非抗震構(gòu)造要求。

在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，由于砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中對不同抗震等級框架延性設(shè)計(jì)要求不同, 不同抗震等級框架抗震構(gòu)造措施的采取也不同，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性的主要措施有:在梁柱端部設(shè)置箍筋加密區(qū)避免在地震作用下梁柱端部出現(xiàn)剪切破壞，控制柱軸壓比避免在地震作用下砼框架柱出現(xiàn)小偏心受壓破壞，鋼筋的錨固與搭接，對不同抗震等級框架采用不同要求，對不同抗震等級框架抗震構(gòu)造措施的采取應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)要求。

總之，砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)是砼框架結(jié)構(gòu)超載時(shí)實(shí)現(xiàn)延性破壞(受拉破壞)的保證。在砼框架結(jié)構(gòu)非抗震設(shè)計(jì)中，是運(yùn)用彎矩調(diào)幅法去實(shí)現(xiàn)砼延性框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使砼框架結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計(jì)、正常施工和正常使用過程中滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。即在承載能力極限狀態(tài)下砼框架結(jié)構(gòu)梁端出現(xiàn)塑性鉸且承載能力不降低，在正常使用極限狀態(tài)下砼框架結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)的變形要求和裂縫寬度要求，在超載作用下，砼框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)延性破壞(受拉破壞)。砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，是運(yùn)用兩階段設(shè)計(jì)法通過采取抗震措施去實(shí)現(xiàn)砼框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)。在砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)二階段設(shè)計(jì)方法中,對于第一階段眾值烈度下延性框架設(shè)計(jì)很重要,眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),應(yīng)通過采取抗震措施，通過增大眾值烈度下砼框架結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)時(shí)設(shè)計(jì)內(nèi)力來設(shè)計(jì)延性框架，建立梁式側(cè)移機(jī)構(gòu)的砼框架結(jié)構(gòu)抗震機(jī)制,使其在遭受本地區(qū)規(guī)定的設(shè)防烈度的地震影響時(shí),砼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài),梁端形成塑性鉸,滿足第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求,做到中震可修;在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí),滿足第三水準(zhǔn)罕遇烈度設(shè)計(jì)要求(不發(fā)生倒塌),砼框架結(jié)構(gòu)破壞時(shí)形成梁式側(cè)移機(jī)構(gòu)，確保砼框架結(jié)構(gòu)遭受中大地震影響破壞時(shí)實(shí)現(xiàn)延性破壞(受拉破壞)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志俊.砼框架結(jié)構(gòu)延性的探討[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，(2)：98.

[2]張志俊.論砼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，(1)：102.