芻議鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和城市化建設(shè)步伐的加大，多高層建筑發(fā)展迅速，其結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化，建筑平面布置與豎向體形也越來(lái)越復(fù)雜，這就給多高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文介紹了多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的框架結(jié)構(gòu)體系，提出了對(duì)抗震有利的結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的措施。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代多高層框架結(jié)構(gòu)抗震的分析了解，展望了其抗震技術(shù)的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)；抗震；設(shè)計(jì)

1 明確鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)

影響水平地震作用及結(jié)構(gòu)側(cè)移大小的因素。首先，建筑場(chǎng)地類(lèi)別，當(dāng)建筑場(chǎng)地越軟時(shí)，地震作用越大，房屋的側(cè)移越大，反之越小。其次，地震烈

度越高時(shí)，地震作用越大，房屋側(cè)移越大，反之越小。第三，建筑物高度越高時(shí)，地震作用越大，房屋側(cè)移越大，反之越小。第四，建筑物的重要性越重要時(shí)，要求結(jié)構(gòu)的可靠度越高，水平地震作用越大，房屋側(cè)移越大，反之越小。為使抗震設(shè)計(jì)真正達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的，規(guī)范根據(jù)上述因素將丙類(lèi)框架結(jié)構(gòu)分為不同的抗震等級(jí)，見(jiàn)表1。

2 規(guī)范鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 “強(qiáng)柱弱梁”措施

首先，主要是通過(guò)人為增大柱相對(duì)于梁的抗彎能力，使塑性鉸更多的出現(xiàn)在梁端而不是柱端，讓結(jié)構(gòu)在地震引起的動(dòng)力反應(yīng)中形成“梁鉸機(jī)構(gòu)”或“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”，通過(guò)框架梁的塑性變形來(lái)耗散地震能量。其次，根據(jù)對(duì)構(gòu)件在強(qiáng)震下非線性動(dòng)力分析可知，強(qiáng)震下，由于構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，因此可以耗散部分地震能量，同時(shí)根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)塑性力學(xué)的分析知道，在保證結(jié)構(gòu)不形成機(jī)構(gòu)的要求下，“梁鉸機(jī)構(gòu)” 或“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”相對(duì)與“柱鉸機(jī)構(gòu)”而言，能夠形成更多的塑性鉸，從而能耗散更多的地震能量，因此我們需要加強(qiáng)柱的抗彎能力，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下形成更優(yōu)、更合理的“梁鉸機(jī)構(gòu)”或“梁柱鉸機(jī)構(gòu)”。第三，框架結(jié)構(gòu)的延性與塑性鉸分布的部位有關(guān)。若梁中先出現(xiàn)塑性鉸形成梁鉸結(jié)構(gòu)，則塑性鉸分布較均勻，每個(gè)塑性鉸所要求的彈性變形量也比較小，而且延性要求也較容易實(shí)現(xiàn)，若柱中出現(xiàn)塑性鉸而形成柱鉸結(jié)構(gòu)，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對(duì)柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實(shí)現(xiàn)，且柱鉸機(jī)構(gòu)伴隨較大的層間位移，這不僅引起不穩(wěn)定的問(wèn)題，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)承受偏心豎向荷載，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。在經(jīng)受較大側(cè)向位移時(shí)，未能確保框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并能維持它承受豎向荷載的能力，必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi)，即要求在設(shè)計(jì)荷載下節(jié)點(diǎn)上柱段截面極限彎矩的總和大于梁端極限彎矩總和。這就是所謂的強(qiáng)柱弱梁，既保證框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲(chǔ)備，又大大減少柱段屈服的可能性。與國(guó)外規(guī)范相比，建議適當(dāng)提高作用效應(yīng)，以相對(duì)提高設(shè)計(jì)可靠性，同時(shí)對(duì)九度抗震設(shè)防區(qū)的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)提出更高的延性要求。

2.2 強(qiáng)剪弱彎

首先，框架結(jié)構(gòu)的延性與構(gòu)件的破壞形態(tài)有關(guān)，框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則，以減少在非彈性變形時(shí)發(fā)生剪切破壞的可能性。

其次，框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)原則主要是有設(shè)計(jì)剪力的計(jì)算、抗剪承載力計(jì)算公式的選取以及必要的構(gòu)造措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際建立的計(jì)算與抗彎承載力的計(jì)算相類(lèi)似，按抗震等級(jí)不同采用地震效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，但較抗彎承載力計(jì)算更嚴(yán)格，以相對(duì)提高抗剪承載力。

第三，為減少框架梁柱在非彈性反應(yīng)趨于發(fā)生剪切破壞的危險(xiǎn)，梁柱端部的設(shè)計(jì)剪力應(yīng)與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，抗剪計(jì)算公式的選取主要表現(xiàn)為考慮地震作用的反復(fù)性及剪切問(wèn)題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計(jì)算公式，并輔以抗震構(gòu)造措施。與抗彎承載力的計(jì)算相類(lèi)似，抗剪計(jì)算一方面需增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度(提高作用效應(yīng))，而且更為重要的是應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)延性要求的不同，即抗震等級(jí)的不同，提出不同的抗剪承載力計(jì)算公式。

第四，在加載初期，混凝土承擔(dān)大部分剪力，箍筋起次要作用。隨著構(gòu)件交叉裂縫形成和發(fā)展，混凝土的作用逐漸下降，箍筋起主導(dǎo)作用。這是因?yàn)榉磸?fù)加載次數(shù)的增加，核心區(qū)混凝土裂縫大大開(kāi)展，從而減小受剪區(qū)混凝土的抗剪能力，另外因混凝土反復(fù)張合，導(dǎo)致剪切鉸合面粗糙程度的降低，削弱了骨料間的咬合作用，由于反復(fù)加載次數(shù)的增加，構(gòu)件剛度逐漸退化，柱兩側(cè)的混凝土逐漸壓潰、剝落而退出工作，導(dǎo)致混凝土抗剪面積的減少，從而削弱抗剪能力。而受壓區(qū)混凝土保護(hù)層的剝落及塑性鉸區(qū)較大的非彈性變形，加速了斜裂縫的發(fā)展，削弱抗剪能力。同時(shí)，非彈性循環(huán)變形過(guò)程減少了構(gòu)件在給定方向上所能承受的最大非彈性變形，也就是說(shuō)，抗剪承載力退化隨所要求延性系數(shù)的增加而加劇，構(gòu)件的非彈性變形量與循環(huán)加載次數(shù)有關(guān)。

第五，用剪力增大系數(shù)增大梁端、柱端、剪力墻端、剪力墻洞口連梁端以及梁柱節(jié)點(diǎn)中的組合剪力值，并用增大后的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行受剪截面控制條件驗(yàn)算和受剪承載力設(shè)計(jì)，以避免在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性的剪切破壞。

2.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)錨固

為保證框架結(jié)構(gòu)的延性，在梁鉸機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮作用以前，框架節(jié)點(diǎn)縱筋錨固不應(yīng)過(guò)早破壞，框架節(jié)點(diǎn)破壞主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處核心區(qū)箍筋數(shù)量不足，在剪力和壓力的共同作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)斜裂縫，箍筋屈服至拉斷，柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的，故規(guī)范通過(guò)保證核心區(qū)混凝土強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋來(lái)防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的過(guò)早剪切破壞。而強(qiáng)錨固要求則通過(guò)在靜力設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上疊加一定的抗震附加錨固長(zhǎng)度，利用鋼筋錨固段的機(jī)械錨固措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)構(gòu)造措施

3.1 軸壓比與縱筋最大配筋率

合理的受力特征可明顯提高構(gòu)件延性，為實(shí)現(xiàn)受拉鋼筋的屈服限于受壓混凝土壓碎的破壞形式，以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，規(guī)范限制軸壓比及縱筋的最大配筋率，同時(shí)對(duì)混凝土受壓區(qū)高度也提出相應(yīng)要求。

3.2 約束箍筋及配筋形式

為保證強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則及塑性區(qū)域的局部延性，有必要加密塑性區(qū)域內(nèi)的箍筋間距。這不僅可提高柱端抗剪能力，還可約束核心區(qū)混凝土，對(duì)縱向鋼筋提供側(cè)向支持，防止大變形下縱筋壓屈，從而改善塑性區(qū)域的局部延性。規(guī)范對(duì)約束箍筋的最小直徑、最大間距、塑性鉸區(qū)域的最小長(zhǎng)度都做出了詳細(xì)規(guī)定，并對(duì)箍筋肢距及箍筋形式提出了相應(yīng)要求。

3.3 材料要求

材料延性對(duì)確保構(gòu)件延性極為重要，為此規(guī)范對(duì)材料也提出相應(yīng)限制，如保證鋼筋屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值、伸長(zhǎng)率及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，同時(shí)對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的鋼筋代換也提出相應(yīng)限制。

3.4 梁柱等構(gòu)件延性的影響因素

影響因素主要是混凝土極限壓應(yīng)變和破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。同時(shí)對(duì)于梁而言，無(wú)論是對(duì)不允許柱出現(xiàn)塑性鉸（底層柱除外）的方案，還是允許柱出現(xiàn)塑性鉸但控制其出現(xiàn)時(shí)間和程度的方案，梁端始終都是引導(dǎo)出現(xiàn)塑性鉸的主要部位，所以都希望梁端的塑性變形有良好的延性和良好的塑性耗能能力。因此除計(jì)算上滿足一定的要求外，還要通過(guò)的一系列嚴(yán)格的構(gòu)造措施來(lái)滿足梁的這種延性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)現(xiàn)在的多高層建筑中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性，提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力， 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。設(shè)計(jì)人員在合理體現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大作用效應(yīng)以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度，提高建筑物的抗震性能，框架這種結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展前景就會(huì)更加廣闊了。