鋼筋混凝土框架結構抗震設計探討

【摘 要】鋼筋混凝土框架結構是常見的建筑結構形式，在工業與民用建筑中是一種廣泛應用的結構類型，對該類結構在抗震設計時應充分提高其整體的抗震能力。根據設計工作中遇到的問題，概括地總結了鋼筋混凝土框架結構在抗震設計中的建筑布置、結構的抗震等級、結構構件的延性及有關強柱弱梁，強剪弱彎等設計中應考慮的事項。

【關鍵詞】鋼筋混凝土框架結構；抗震設計

鋼筋混凝土框架結構(以下簡稱框架結構)是我國既有建筑的重要組成類型。鋼筋混凝土框架體系，其建筑布置比較靈活，可以設計成具有較大空間的各類建筑。鋼筋混凝土框架結構在工業與民用建筑中是一種常見的結構類型，特別是隨著社會的進步和發展，在一些大中型、多功能的綜合建筑應用更加廣泛，在工業建筑中應用也很普遍。此類建筑結構設計中應遵循質量中心和剛度中心的重合。如設計中由于功能的區分和要求，質量中心和剛度中心的不重合，在地震作用下會產生較大的扭轉效應，設計中應高度重視，這是框架結構的主要特點。因此應充分提高其整體的抗震能力。

1 建筑設計布置原則

在建筑設計中應符合抗震概念設計的要求，不宜采用嚴重不規則設計方案。在抗震設計中建筑及抗側力結構的平面圖布置應遵循平面和立面外型簡單、規則、對稱并應具有良好的整體性原則，合理的建筑布置對抗震起重要作用。因為震害表明，建筑結構形式簡單對稱的建筑在地震時較不容易破壞。建筑布置的“規則”包括了對建筑的平面和立面外形尺寸，抗側力構件布置原則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面和材料宜自下而上逐步減少避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變，質量分布、承載力分布等諸多因素的綜合要求。在設計過程中，建筑專業和結構專業應相互配合、協調，才能布置出合理的布局。對抗震性良好的建筑，在鋼筋混凝土框架結構抗震設計時要遵循以下原則:

1）面易簡單、規則、對稱，減少偏心;2）度中心與質量中心盡量重合，否則應考慮其不利影響;3）量大的設備宜布置在剛度中心較近的布位;4）宜采用懸挑結構;5）有多道抗震防線。

2 結構的抗震等級

抗震等級確定是為了更好的對建筑物的抗震采取措施，抗震等級在鋼筋混凝土構件的抗震設計，應根據結構類型、房屋高度和設防烈度采取不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造措施要求。

在平面、立面不規則的建筑結構中，應進行水平地震作用計算和內力調整，并應對薄弱部位采用有效的抗震構造措施，需要根據具體情況適當提高承載力以推遲或減少進入非彈性階段，結合具體情況進行承載力和變形能力的設計是解決復雜結構抗震設計的有效方法。鋼筋混凝土結構房屋的抗震要求不僅與建筑重要性和地震烈度有關，而且與建筑結構的抗震能力有關，結構的抗震能力又與房屋高度和結構類型、主要抗側力構件還是次要抗側力構件等直接有關。結構在水平地震作用下，其內力和側移隨房屋高度增長速度很快，房屋越高地震效應越大，不同結構類型的抗側力體系或構件對結構抗震能力的貢獻不同，框架-抗震墻結構中框架的要求可低于純框架結構中的框架，抗震墻結構中抗震墻的抗震要求可低于框架-抗震墻結構中抗震墻的抗震要求。

3 抗震結構的延性及結構中設計原則

對于抗震結構除承載力問題之外，還必須考慮的一個重要問題就是延性。結構在地震作用下即使進入破壞階段，由于具有充分的延性性能將意味著結構雖然會產生較大的變形，但是不會發生脆性破壞和倒塌。考慮到地震區的結構設計應經濟合理，延性性能成為一個極為重要的問題。因為現在建筑抗震設計規范的基本原則只能用來設計在彈性范圍內承擔低于本地區多遇地震作用的結構，而在罕遇地震時，則需依靠屈服后可利用的延性，使得結構能夠保存下來而不致倒塌，這就是延性設計的重要意義。

延性性能是指結構或構件在承載力沒有明顯下降的情況下能夠承受很大的非彈性變形能力。一般結構的延性包括:結構延性和構件延性，而結構延性包括總體延性和樓層延性。構件延性要求一般都高于結構延性的要求，而構件延性又取決于構件截面縱向配筋率，約束混凝土和防止縱向鋼筋壓屈的箍筋配筋率，混凝土和鋼筋的強度以及軸向荷載的大小。

構件破壞時的變形與屈服時變形的比值稱為構件的延性，延性越大，則結構在地震作用下可以承受大的塑性變形而不破壞倒塌，可以使地震作用更多地降下來。因此結構的設計和配筋構造都要保證它具有足夠的延性。因此，結構要有良好的抗震性能，通常采取以下措施保證結構的延性:

1)有足夠的承載力來保證結構的強度;2)有足夠的抗側向力的剛度來保證結構的側向位移;3)結構的自震周期應與地震的卓越周期錯開;4)盡可能設置多道防線;5)在地震作用下節點承載力應大于相連構件承載力，當構件屈服時，退化時，節點應保證承載力和剛度不變;6)合理控制結構的非彈性部位(塑性鉸區)，實現合理的機制;7)結構單元之間應遵守牢固連接或徹底分離的原則;8)底層應加強，彎矩考慮增大;地下室一層可考慮延性;9)采用有效措施，防止早出現剪切、錨固、受壓等脆性破壞，因此采用“約束混凝土”是非常重要的措施;10)抗震設計中應加強的就強，應弱的就弱，不得任意加強。因此在設計不合理的任意加強以及在施工中以大代小改變鋼筋，都需要慎重考慮;

框架設計中應遵循“強柱弱梁”的原則，推遲柱端出現塑性鉸;還應滿足“強剪弱彎”的要求，防止過早發生剪切破壞。為提高框架柱的延性，尚應控制柱的軸壓比不要太大。

由于框架柱的延性比梁的延性小，一旦在框架柱形成塑性絞，就會產生很大的層間側移直接危及結構的豎向承載力。因此在設計中可以有目的地增大柱端彎矩設計值，體現出“強柱弱梁”的原則，使得框架結構在水平地震作用下梁先出現塑性鉸。為了防止柱在彎壓破壞前發生剪切破壞，要求柱受剪承載力大于柱彎曲屈服時實際達到的剪力。“強剪弱彎”是保證構件的延性防止脆性破壞的重要原則。

4 框架結構的底層柱底、角柱的設計及框架節點

框架結構的底層柱底的抗彎能力應適當提高，其原因:①框架結構的底層柱底過早出現塑性鉸，將影響整個框架結構的變形能力，不利于結構持續吸收和耗散地震能量;②隨著梁端塑性鉸的出現結構發生塑性內力重分布，底層柱的反彎點位置也將改變，而使底層柱底彎矩增大。因此，按《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第6.2.3條一、二、三、四級框架結構的底層，柱下面截面組合的彎矩設計值，應分別乘以增大系數1.7、1.5、1.3和1.2。

框架結構中角柱也應適當提高，其考慮到角柱由于地震作用引起的內力較大且受力復雜，在設計中應增大彎矩和剪力的設計值，對一、二、三、四級框架結構，當角柱內力計算按兩個主軸方向分別考慮地震作用時其彎矩、剪力設計值宜在調整后的彎矩、剪力設計值基礎上在乘以不小于1.1的增大系數。

框架節點是結構抗震的薄弱部位，在水平地震力作用下，框架節點受到梁柱傳來的彎矩、剪力和軸力作用，節點核芯區復雜應力狀態，地震時，一旦節點破壞，難以修復和加固。因此應根據“強節點”的設計原則使得節點核芯區的承載力強于與之相連的桿件的承載力設計值。

5 結語

總之，結構抗震設計一方面應按現行設計規范對結構進行必要的計算，滿足承載力和變形的要求;另一方面還要采取正確的構造措施，提高結構的延性，防止結構倒塌。在進行鋼筋混凝土框架結構的抗震設計時，首先要有合理的滿足抗震要求的建筑布置，同時要有清楚的抗震設計概念，不僅要進行抗震理論計算，更要重視框架結構的構造要求，確保框架結構的設計安全可靠。

參考文獻:

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