鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞機制探析

金 鑫

（寧夏工業(yè)設(shè)計院有限責任公司 寧夏 銀川 750001）

0 引言

我國學者認為采用短肢剪力墻體系的小高層以及多層的異形柱框架結(jié)構(gòu)相對普通的框架結(jié)構(gòu)更容易形成梁鉸破壞機制，并且將結(jié)構(gòu)設(shè)計成梁鉸耗能機制能夠很好的滿足結(jié)構(gòu)的變形能力，一些按照規(guī)范設(shè)計的實際工程結(jié)構(gòu)也最終表現(xiàn)為梁鉸破壞機制。

1 建筑結(jié)構(gòu)可能的破壞機制

1.1 破壞機制的分類

建筑結(jié)構(gòu)的破壞機制有三種：梁鉸破壞機制、柱鉸破壞機制和混合破壞機制。

柱鉸機制是指當框架柱的承載能力弱于框架梁時，在水平荷載作用下，整個結(jié)構(gòu)在柱端首先出現(xiàn)塑性鉸，而在梁端依然處在彈性階段。發(fā)生的最嚴重的情況是結(jié)構(gòu)中只有其中的某一層的柱端形成塑性鉸而導致整個結(jié)構(gòu)破壞。柱端塑性鉸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動對結(jié)構(gòu)在整個破壞過程當中水平位移增加起主要貢獻。然而梁端塑性鉸相對能比較充分的發(fā)展，相對柱有良好的耗能能力。因此如果結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)一定，只靠柱端塑性鉸來滿足結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動的話，一般很難達到。所以要在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中對構(gòu)件加強構(gòu)造措施省得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柱鉸破壞。

梁鉸機制是由于結(jié)構(gòu)柱端承載力強于梁端，這時在結(jié)構(gòu)的梁端首先產(chǎn)生塑性鉸，此塑性鉸轉(zhuǎn)動吸收大部分地震能量，但是每層的柱子依然處于彈性階段，最終荷載繼續(xù)增大致使在最下層柱的底部產(chǎn)生塑性鉸宣告結(jié)構(gòu)破壞。梁鉸機制在整個結(jié)構(gòu)破壞過程中主要依賴梁端產(chǎn)生的塑性鉸來耗能，相應(yīng)對柱子的延性就沒有那么嚴格的要求，結(jié)構(gòu)只有一個自由度，此機制歸于總體耗能機制。

混合機制是指如果在框架結(jié)構(gòu)中結(jié)點的梁端屈服的同時，在柱的兩端也都產(chǎn)生塑性鉸，這種破壞屬于“混合機制”。混合機制也是只有一個自由度，為總體耗能機制，跟梁鉸機制相近。

1.2 各國規(guī)范對結(jié)構(gòu)破壞機制的選用

各國目前關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)耗能機制的選用有兩種不同的做法。

新西蘭的研究人員認為結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使結(jié)構(gòu)在梁端和底層柱子的底端都形成塑性鉸，將結(jié)構(gòu)設(shè)計成全結(jié)構(gòu)塑性機構(gòu)。具體設(shè)計時設(shè)計者要對梁端截面計算構(gòu)件內(nèi)力組合值，按其組合后的彎矩值進行截面設(shè)計。對于底層柱截面，使用計算的組合值稍微增大的值進行設(shè)計，除此以外的截面使用相對計算的組合彎矩值人為加大的值進行截面設(shè)計。這樣設(shè)計之后，如果結(jié)構(gòu)在較大等級地震中產(chǎn)生很大的塑性形變，梁端和底層柱底部都會出現(xiàn)塑性鉸，不過梁端的塑性鉸要先于柱底的出現(xiàn)，在除柱底其他柱截面將不產(chǎn)生塑性鉸，這樣結(jié)構(gòu)最終形成梁鉸破壞機制。不過這種設(shè)計方法對柱端彎矩人為放大的彎矩增大系數(shù)要取的很大。

新西蘭研究人員提出的這套措施主要利用梁端產(chǎn)生的塑性鉸來耗能以及增加結(jié)構(gòu)的變形能力，梁端也有實現(xiàn)這一設(shè)計目的的能力。不過底層柱的嚴格要求就使得設(shè)計人員必須保證柱底軸壓比，并且還要配置足量的箍筋來確保柱底達到所要求的變形能力，萬一柱底沒有達到設(shè)計目的，導致截面延性不足，那么很容易使整棟結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌的可能。這一設(shè)計對除底層柱以外的柱截面的要求是不出現(xiàn)塑性鉸，這樣可以在這些截面不必增加太多的箍筋，可以節(jié)省一部分鋼筋用量。

美國抗震界對新西蘭人為增大柱底組合彎矩所使用的增大系數(shù)不太認可，他們覺得新西蘭使用的這個增大系數(shù)過大。美國學者依據(jù)本國抗震經(jīng)驗降低此增大系數(shù)，這樣設(shè)計以后，結(jié)構(gòu)在大震過程中產(chǎn)生塑性變形時，同樣結(jié)構(gòu)很快在梁端產(chǎn)生塑性鉸，但是柱底截面的柱端塑性鉸形成的時間要很晚。所以結(jié)構(gòu)破壞時，結(jié)構(gòu)梁端普遍形成塑性鉸，柱端的塑性鉸就相對少很多，這樣就形成了“混合破壞機制”。

混合機制的特點是以梁端塑性鉸耗能為主，但不限制柱端塑性鉸出現(xiàn)（包括底層柱底），通過適當增強柱端抗彎能力的方法使它在大震下的塑性轉(zhuǎn)動離其塑性轉(zhuǎn)動能力有足夠裕量，并且同層各柱上下端不同時處于塑性變形狀態(tài)。

1.3 我國規(guī)范對結(jié)構(gòu)破壞機制的選用

我國規(guī)范要求耗能機制采用“混合破壞機制”模式。《抗規(guī)》6.2條規(guī)定：

一、二、三、四級框架結(jié)構(gòu)種的梁柱節(jié)點處，對柱端彎矩采用的組合設(shè)計值要符合公式：，式中的梁柱節(jié)點不包括框支梁柱的節(jié)點以及框架結(jié)構(gòu)的頂層和柱子軸壓比值小于0.15的情況。

一級的框架結(jié)構(gòu)和9度的一級框架可不符合上式要求，但要滿足公式。其中為節(jié)點上下柱端截面順時針或反時針方向組合的彎矩設(shè)計值之和，上下柱端的彎矩設(shè)計值，可按彈性分析分配；為節(jié)點左右梁端截面反時針或順時針方向組合的彎矩設(shè)計值之和，一級框架節(jié)點左右梁端均為負彎矩時，絕對值較小的彎矩應(yīng)取零；為節(jié)點左右梁端截面反時針或順時針方向?qū)嵟涞恼孛婵拐鹗軓澇休d力所對應(yīng)的彎矩值之和，根據(jù)實配鋼筋面積（計入梁受壓筋和相關(guān)樓板鋼筋）和材料強度標準值確定；ηC為框架柱端彎矩增大系數(shù)；對框架結(jié)構(gòu)，一、二、三、四級可分別取1.7、1.5、1.3、1.2；其他結(jié)構(gòu)類型種的框架，一級可取1.4，二級可取1.2，三、四級取1.1。

當反彎點不在柱的層高范圍內(nèi)時，柱端截面彎矩的組合設(shè)計值可以按照乘上上面公式中彎矩增大系數(shù)以后得到的值進行計算另外，一、二、三、四級框架結(jié)構(gòu)的底層，柱下端截面組合的彎矩設(shè)計值，應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.7、1.5、1.3和1.2。底層柱縱向鋼筋應(yīng)按上下端的不利情況配置。

最終設(shè)計人員依據(jù)上述規(guī)范要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大震時，在結(jié)構(gòu)梁端會首先形成塑性鉸，并且同一層的柱上下兩端不會同時形成塑性鉸。但是結(jié)構(gòu)的柱端由于設(shè)計時沒有采用較大的彎矩增大系數(shù)進行設(shè)計，依然可能出現(xiàn)塑性鉸，這樣設(shè)計的結(jié)構(gòu)大部分最終會形成混合破壞機制。

2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)破壞機制的選用

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系縱然有很多優(yōu)點，良好的建筑功能，但是由于其結(jié)構(gòu)體系變形能力不是很大，這一新興結(jié)構(gòu)體系依然沒有得到廣大工程界的廣泛應(yīng)用。《高規(guī)》7.1.8條中規(guī)定，在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的50%；房屋適用高度應(yīng)比原規(guī)程表規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度適當降低，7 度、8 度（0.2g）和 8 度（0.3g）時分別不應(yīng)大于100m、80m和60m。這給設(shè)計人員設(shè)計帶來了一定的困難。

學者們經(jīng)過大量的理論研究和實體試驗后發(fā)現(xiàn)，相對普通的框架結(jié)構(gòu)，采用短肢剪力墻體系的小高層以及多層的異形柱框架結(jié)構(gòu)更容易形成梁鉸破壞機制，一些按照規(guī)范設(shè)計的實際工程結(jié)構(gòu)也最終表現(xiàn)為梁鉸破壞機制。

3 結(jié)束語

總之，我國規(guī)范要求耗能機制采用“混合破壞機制”模式。結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷大震時，在結(jié)構(gòu)梁端會首先形成塑性鉸，并且同一層的柱上下兩端不會同時形成塑性鉸。但是結(jié)構(gòu)的柱端由于設(shè)計時沒有采用較大的彎矩增大系數(shù)進行設(shè)計，依然可能出現(xiàn)塑性鉸，這樣設(shè)計的結(jié)構(gòu)大部分最終會形成混合破壞機制。

［1］康竹卿.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系研究[J].山西建筑，2008，34（21）：66-67.

［2］王嵐蘭，李志國，高祎.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].吉林建筑工程學院學報，2005，22（2）：12-14.