淺析鋼筋混凝土框架結構設計

■鄭 兵 ■江西省玉山縣建筑規劃設計院，江西 上饒 334700

近些年，伴隨著全球范圍內地震災害頻發，國內外很多學者們通過地震災害的觀察及模擬實驗分析總結得出:建筑工程在地震中會出現坍塌，大多因為混凝土框架結構的耗能與變形能力不足而形成的。在目前我國抗震設計規范是以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震設防標準的，這一標準的實現，需要鋼筋混凝土框架具有較好的承延性及耗能能力。

1 鋼筋混凝土框架結構延性設計的概念

建筑結構的延性是指結構在保持豎向承載力的前提下的非彈性變形能力。就框架結構而言，對于梁和柱等構件，由于鋼筋的包興格效應，混凝土梁端或柱端在彎矩作用下受拉開裂后，表現出承載力保持不變而變形增加的塑性變形能力，此部分形變在卸載后也不能恢復，因而在收到壓力的時候，首先會吸收部分能量來恢復此部分形變，應力－應變曲線表現為非線性。受此影響，在地震作用力的反復拉壓循環受力過程中，梁端或柱端由于多條裂縫的出現而具有一定轉角變形的能力，既出現塑性鉸出現。框架結構在地震中的延性耗能能力實則主要表現為地震水平作用力超出結構彈性極限承載力而出現塑性鉸后，結構各處的塑性鉸往復轉動耗散掉部分結構所吸收的地震能量。因而鋼筋混凝土框架結構的延性設計的核心就是控制也夠能在合理的位置出現塑性鉸，表現出保持豎向承載力的前提下的非彈性變形能力。

2 鋼筋混凝土框架抗震延性設計的重要性

我國相關設計規范中關于抗震設計的思路是，采用較小(重現周期為50年)地震作用結構抗震設計，通過抗震措施(包涵抗震計算結果的調整和抗震構造措施)保證結構的延性，以使其在更大地震作用下，通過非彈性變形耗能而不發生嚴重的損壞。因而混凝土框架結構抗震設計在本質上為結構的延性設計。具有較好延性的混凝土框架結構一方面在地震作用下通過自身塑性區域產生變形，能夠良好吸收及擴散地震針對框架的作用力，另一方面由于塑性變形的出現使總體框架剛度有所下降，結構周期延長，降低地震對結構的作用力。較高的延性變形能力可以令框架承載力標準下降。合理的延性設計有利于提高框架的抗震潛能及抗抗倒塌能力。

3 鋼筋混凝土框架延性設計的要點

對于框架結構而言，要保證結構具有較強的延性變形能力，首先得避免構件出現剪切破壞，無論是梁還是柱一旦發生剪切破壞都會帶來危機生命安全的嚴重破壞，甚至引起結構的整體倒塌。其次，結構延性變形是以豎向承載力為前提的，因而延性設計中不希望過早的出現柱的破壞。再者，框架結構靠梁柱節點將各桿件鏈接成一個整體結構，節點一旦破壞，就不能保證結構的整體性。因此，在框架結構的延性設計中應注意一下幾個方面:

3.1 強剪弱彎

為了規避梁在屈服之前產生剪切損壞現象，在一級、二級時，依照的強剪弱彎的設計原理適當調整梁端截面組合剪力設計值，在三級、四級時無需進行調整。依照《抗震規范》中對梁截面的最小尺寸、梁截面剪壓比進行限定，以免產生斜壓損壞現象，并給出相應公式對斜截面受剪承載力進行核算。

此外，框架柱在持續荷載作用中的抗剪承載力來自混凝土(VC)、橫向鋼筋(VS)、軸向荷載的作用效應(VN)等方面。加載初期階段，混凝土承擔大多數剪力，箍筋的作用緊隨其后。由于構件交叉斜裂縫的產生及發展，混凝土抗剪貢獻持續降低，箍筋效果逐步提高。如果箍筋配置欠缺，斜裂縫處的箍筋屈服或拉斷，斜裂縫則會快速貫穿受壓邊緣而導致構件剪切損壞。

3.2 強柱弱梁

大量災害調查研究表明，柱端出鉸易造成局部樓層失穩甚至倒塌，豎向承載力無法得到保障，即便未倒塌，結構震后修復困難，經濟性較差，因而良好的框架結構延性設計應盡可能通過梁出鉸來實現非彈性變形。即便有柱端出鉸的情況，也應避免整層樓柱端出鉸而導致結構在該層抗剪剛度銳減造成結構失穩甚至坍塌，最典型的以底框結構在震害中表現為底層框架坍塌而上部砌體結構相對完好為代表。為保證結構的延性，在同一節點處柱端截面抗彎承載力的總和應超出梁端截面抗彎承載力總和，計設計時應當依照強柱弱梁的原理，確保框架結構里的柱應具備充分的抗彎承載力儲備，較大程度降低柱端屈服的程度，令塑性鉸產生在梁端，進而吸收較多地震能量，來提高構件的延性。

具體而言，在設計過程中會對梁端進行彎矩進行“調幅”，有意識的削弱梁端的抗彎儲備，并通過箍筋加密區長度、配箍率及箍筋間距等構造要求，保證梁端混凝土開裂后能形成非彈性變形性能良好的塑性鉸。值得注意的是，在設計過程中，有時會為因為各種原因人為加大梁端縱向配筋，這可能會導致梁擁有了超出設計意圖的延性，在較大地震作用下柱端延性相對較弱而率先出現塑性鉸。比如，梁底配筋往往是跨中彎矩起控制作用，梁端底部配筋已經遠遠大于地震作用產生的彎矩所需的配筋值，故而梁端頂部鋼筋不宜再有人為加大。特別對于連續梁而言，支座兩側的負筋設計值往往不同，有時甚至相差較大，而實際操作中往往會以較大一側設計值為參考將支座處貫通配筋此做法實則人為加大梁端另一側的支座配筋，筆者建議，框架梁在柱端兩側的支座配筋設計值差別較大時，應根據實際計算結果分別配筋，同時兼顧構造上盡可能多的鋼筋貫通。

3.3 強節點，弱構件

如上文所述，鋼筋混凝土框架的延性耗能能力，主要依靠梁及柱端的塑性鉸變形，節點的動力性能被剪切機錨固機制掌控，節點的滯回特征較差，通常不宜設為能量耗散處，因而梁柱節點在結構承受水平地震作用的整個過程中的受力特性都應處于彈性范圍內。節點的上柱及下柱的地震作用彎矩符號相對，并且梁在透過節點后節點左右梁的彎矩也相對應，所以，節點被水平方向剪力乃至垂直方向剪力的共同影響，剪力值遠遠超出相鄰柱及梁上剪力，因此，節點較易產生剪切損壞。相對作用剪力以及相對配箍率分別為對不同受力特點節點延性特征的兩個重點綜合變量有所影響。此外，節點左右彎矩異號也導致節點處梁的主筋在節點一側受拉，另一側受壓，為了確保其傳力在節點中的梯度變化需求，設計中應當規避由于節點錨固粘結欠缺而損傷。

框架結構梁柱節點的損傷通常表現為節點核心范圍箍筋數額欠缺，在剪力與壓力的共同作用下，節點核心范圍混凝土產生斜裂縫，箍筋屈服甚至拉斷，柱縱向箍筋被壓屈。所以，為了預防節點核心范圍產生剪切破壞，需對節點剪壓比采取控制，執行節點核心范圍抗剪承載力核算，確保節點核心區混凝土強度及配置充分數額的箍筋，實現強節點的目標。

4 結束語

從以上結論可以得出，在我國現行的房屋建筑物的抗震規范里面對鋼筋混凝土的框架結構的延性設計方面主要是概念設計這一點，但當框架結構在進入到非彈塑性階段的過程時，就要了解到抗震措施時提高抗震性能的重要條件與保障。當鋼筋混凝土框架結構的抗震級別以及變形能力、與構件的變形能力至今依舊沒有顯著的定量關聯。對于鋼筋混凝土框架結構的延性設計而言，怎樣將框架結構的受力與抗震方法進行定量化且在設計里得以進行，仍然是我們急需解決的重要問題。

［1］王小蕓.高層建筑鋼筋混凝土框架結構分析及延性設計的重要性［J］.福建建材，2013(1).

［2］楊聯強.高層鋼筋混凝土建筑結構抗震延性設計［J］.建筑技術，2014(4).

［3］張東陽.對鋼筋混凝土框架結構設計的理解［J］中華民居，2014(12).