淺談框架結構的抗震概念設計

摘要：由于建筑抗震設計的復雜性，在實際工程中抗震概念設計就顯得尤為重要。它主要包括以下內容：建筑設計應注意結構的規則性；選擇合理的建筑結構體系；抗側力結構和構件的延性設計。本文以框架結構為例重點介紹抗震概念設計中的能力設計法。

關鍵詞：地震、框架結構、抗震設計構造

框架結構作為常見的結構形式，當然其延性設計也主要是從這三個方面來體現的。

1 強柱弱梁

我們常見的“強柱弱梁”的調整措施就是要人為增大柱子的抗彎能力，誘導在梁端先出現塑性鉸。這是考慮到柱中實際彎矩在地震中的可能增大。在結構出現塑性鉸之前，結構構件因拉區混凝土開裂和壓區混凝土的非彈性性質，鋼筋與混凝土之間的粘結退化，使得各構件剛度降低。梁剛度降低較受壓的柱子相對嚴重，結構由最初的剪切型變形向剪彎形變形過渡，柱內的彎矩較梁端的彎矩比例增大；同時結構的周期加長，影響到結構各振型的參與系數的大小；地震力系數發生變化，導致部分柱子彎矩增大，由于構造原因及設計中鋼筋的人為增大，使得梁的實際屈服強度提高，從而使得梁出現塑性鉸時柱內彎矩增大。結構出現塑性鉸之后，同樣有上述原因的存在，而且結構屈服后的非彈性過程就是地震力進一步增大的過程，柱彎矩隨地震力的增大而增大。地震力引起的傾覆力矩改變了柱內的實際軸力。我們規范中的軸壓比限值一般能保證柱子在大偏壓的范圍內，軸力的減小也能導致柱子屈服能力的降低。

2 強剪弱彎

“強剪弱彎”是為了保證塑性鉸截面在達到預期非彈性變形之前不發生剪切破壞。就常見的結構而言，主要表現在梁端、柱端、剪力墻底部加強區、剪力墻洞口連梁端部、梁柱節點核心區。與非抗震相比，增強措施主要表現在提高作用剪力；調整抗剪承載力兩個方面。

2.1 作用剪力

一、二、三級框架梁和抗震墻中跨高比大于2.5的連梁，剪力設計值？？其中， 一級取1.3，二級取1.2，三級取1.1，一級框架結構及9度尚應符合 。一、二、三級框架柱和框支柱，剪力設計值？？其中， 一級取1.4，二級取1.2，三級取1.1，一級框架結構及9度尚應符合。一、二、三級抗震墻底部加強部位，剪力設計值？？其中，一級取1.6，二級取1.4，三級取1.2， 9度尚應符合 。梁柱節點，一、二級抗震等級進行節點核心區抗震受剪承載力驗算，三四級應符合抗震構造措施，對9度設防及一級抗震等級的框架結構，考慮到梁端已出現塑性鉸，節點的剪力完全由梁端實際屈服彎矩決定，按梁端實配鋼筋面積和材料強度標準值計算，同時乘以1.15的增大系數。其它一級按梁端彎矩設計值計算，剪力增大系數為1.35，二級為1.2。

2.2 抗剪公式

國內外低周反復荷載作用下鋼筋混凝土連續梁及懸臂梁受剪承載力實驗表明，混凝土剪壓區剪切強度的降低、斜裂縫間骨料咬合力及縱筋暗銷力的降低是梁受剪承載力降低的主要原因。規范對混凝土的受剪承載力降為非抗震的60％，鋼筋項沒有降低。同樣，對偏壓柱受剪承載力實驗表明，反復加載使柱受剪承載力降低10％～30%，主要由混凝土項引起，采取與梁相同的作法。對剪力墻的實驗表明，其反復加載比單調加載受剪承載力降低15％～20%，采用非抗震受剪承載力乘以0.8的折減系數。梁柱節點的抗震受剪承載力由混凝土斜壓桿和水平箍筋兩部分受剪承載力組成，有關專家給出了相關公式。

為了防止梁、柱、連梁、剪力墻、節點發生斜壓破壞，我們對受剪截面規定了受剪承載力上限，即規定了配箍率的上限值。

通過非彈性動力反應分析表明，以上措施基本滿足強剪弱彎的要求。由于二級抗震等級梁柱在大震下塑性轉動仍很大，有關專家建議剪力增大系數不宜比一級相差過大，對梁取1.25較好，對柱宜取1.3～1.35。其取值的合理性有待于進一步完善。

3 構造措施

構造措施是梁、柱、剪力墻塑性鉸區要達到實際需要的塑性轉動能力和耗能能力的保證。它與“強剪弱彎”、“強柱弱梁”相互關聯，一起保證結構的延性。“強剪弱彎”是保證塑性鉸轉動能力和耗能能力的前提；“強柱弱梁”的嚴格程度，影響相應的構造措施，若實行嚴格的“強柱弱梁”，保證柱子除底部外不出現塑性鉸，相應的軸壓比等構造措施就要松些。我國采取相對的“強柱弱梁”，延緩柱子出鉸的時間，所以需要采取較嚴的構造措施。

3.1 梁的構造措施

梁塑性鉸截面的延性與很多因素有關，截面延性隨受拉鋼筋配筋率及屈服強度的提高而降低；隨受壓鋼筋配筋率和混凝土強度提高而提高，隨截面寬度增大而增大；塑性鉸區的箍筋可以防止縱筋的壓屈、提高混凝土極限壓應變、阻止斜裂縫的開展、抵抗剪力，充分發揮塑性鉸的變形和耗能能力；梁高跨比越小，剪切變形比例越大，易發生斜裂縫破壞，使延性降低。梁縱筋配箍率過低，梁開裂后鋼筋可能屈服甚至拉斷。因而，規范對于梁縱筋最大配筋率和最小配筋率、箍筋加密區長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率都有嚴格規定。為了抵抗梁端可能的正彎矩，保證截面延性，對梁端拉壓鋼筋面積比作出了限制。同時，還對梁的最小寬度、跨高比、高寬比做了規定。

3.2 柱的構造措施

柱為壓彎型受力構件，軸壓比對延性及耗能性影響較大。軸壓比小時，柱子發生大偏壓破壞，構件變形大，延性好，但耗能性降低；隨軸壓比的增大，耗能性增大，但是延性急劇下降，而且箍筋對延性的幫助減小。我們對于采用低地震力設計的柱子，主要保證其延性，而耗能性放到第二位。規范對軸壓比作出了限制，一般能保證在大偏壓的范圍內。箍筋同樣也對延性起到很大的作用，約束縱筋、提高混凝土壓應變、阻止斜裂縫發展。柱一般為對稱配筋，其縱筋配筋率越大，柱子屈服時變形越大，延性越好。因而對柱子的縱筋最小配筋率、箍筋加密區長度、最大間距、最小直徑、最大肢距、體積配箍率做出了嚴格規定。同時對柱子的高寬比、剪跨比、截面最小高度、寬度做出了規定，以提高抗震性能。

3.3 節點構造措施

節點作為梁柱鋼筋的錨固區，對結構性能影響很大。為保證在地震和豎向荷載作用下，節點核心區剪壓比偏低時為節點核心區提供必要的約束，保持節點在不利情況下的基本抗剪能力，使梁柱縱筋可靠錨固，對節點核心區的箍筋最大間距、最小直徑、體積配箍率做出了規定。梁柱縱筋在節點的可靠錨固是節點構造措施的主要內容。規范對梁筋過中節點的直徑；對梁柱縱筋錨固長度；錨固方式都有詳細的規定。

3.4 剪力墻構造措施

為保證剪力墻的延性和耗能能力，為墻肢提供約束，防止出現大的裂縫，規范對剪力墻的邊緣構件做出了詳細規定；同時也對剪力墻的軸壓比作出了限制；為保證剪力墻的承載力和側向剛度，對剪力墻提出了最小墻厚的要求；為防止斜拉剪切破壞，限制斜裂縫的發展，減小溫度收縮裂縫，對剪力墻的水平、豎向分布筋的最小配筋率、最大間距、最小直徑做出了規定。

綜上所述；框架結構主要就是通過計算和構造措施來實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防目標的。

參考文獻

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