淺析鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■鄭 兵 ■江西省玉山縣建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 上饒 334700

近些年，伴隨著全球范圍內(nèi)地震災(zāi)害頻發(fā)，國內(nèi)外很多學(xué)者們通過地震災(zāi)害的觀察及模擬實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)得出:建筑工程在地震中會(huì)出現(xiàn)坍塌，大多因?yàn)榛炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)的耗能與變形能力不足而形成的。在目前我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是以小震不壞、中震可修、大震不倒為抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的，這一標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的概念

建筑結(jié)構(gòu)的延性是指結(jié)構(gòu)在保持豎向承載力的前提下的非彈性變形能力。就框架結(jié)構(gòu)而言，對于梁和柱等構(gòu)件，由于鋼筋的包興格效應(yīng)，混凝土梁端或柱端在彎矩作用下受拉開裂后，表現(xiàn)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(fù)，因而在收到壓力的時(shí)候，首先會(huì)吸收部分能量來恢復(fù)此部分形變，應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)為非線性。受此影響，在地震作用力的反復(fù)拉壓循環(huán)受力過程中，梁端或柱端由于多條裂縫的出現(xiàn)而具有一定轉(zhuǎn)角變形的能力，既出現(xiàn)塑性鉸出現(xiàn)。框架結(jié)構(gòu)在地震中的延性耗能能力實(shí)則主要表現(xiàn)為地震水平作用力超出結(jié)構(gòu)彈性極限承載力而出現(xiàn)塑性鉸后，結(jié)構(gòu)各處的塑性鉸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)耗散掉部分結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。因而鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)的核心就是控制也夠能在合理的位置出現(xiàn)塑性鉸，表現(xiàn)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(shè)計(jì)的重要性

我國相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于抗震設(shè)計(jì)的思路是，采用較小(重現(xiàn)周期為50年)地震作用結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，通過抗震措施(包涵抗震計(jì)算結(jié)果的調(diào)整和抗震構(gòu)造措施)保證結(jié)構(gòu)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(fā)生嚴(yán)重的損壞。因而混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)在本質(zhì)上為結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)。具有較好延性的混凝土框架結(jié)構(gòu)一方面在地震作用下通過自身塑性區(qū)域產(chǎn)生變形，能夠良好吸收及擴(kuò)散地震針對框架的作用力，另一方面由于塑性變形的出現(xiàn)使總體框架剛度有所下降，結(jié)構(gòu)周期延長，降低地震對結(jié)構(gòu)的作用力。較高的延性變形能力可以令框架承載力標(biāo)準(zhǔn)下降。合理的延性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的要點(diǎn)

對于框架結(jié)構(gòu)而言，要保證結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的延性變形能力，首先得避免構(gòu)件出現(xiàn)剪切破壞，無論是梁還是柱一旦發(fā)生剪切破壞都會(huì)帶來危機(jī)生命安全的嚴(yán)重破壞，甚至引起結(jié)構(gòu)的整體倒塌。其次，結(jié)構(gòu)延性變形是以豎向承載力為前提的，因而延性設(shè)計(jì)中不希望過早的出現(xiàn)柱的破壞。再者，框架結(jié)構(gòu)靠梁柱節(jié)點(diǎn)將各桿件鏈接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)一旦破壞，就不能保證結(jié)構(gòu)的整體性。因此，在框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)中應(yīng)注意一下幾個(gè)方面:

3.1 強(qiáng)剪弱彎

為了規(guī)避梁在屈服之前產(chǎn)生剪切損壞現(xiàn)象，在一級、二級時(shí)，依照的強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原理適當(dāng)調(diào)整梁端截面組合剪力設(shè)計(jì)值，在三級、四級時(shí)無需進(jìn)行調(diào)整。依照《抗震規(guī)范》中對梁截面的最小尺寸、梁截面剪壓比進(jìn)行限定，以免產(chǎn)生斜壓損壞現(xiàn)象，并給出相應(yīng)公式對斜截面受剪承載力進(jìn)行核算。

此外，框架柱在持續(xù)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(yīng)(VN)等方面。加載初期階段，混凝土承擔(dān)大多數(shù)剪力，箍筋的作用緊隨其后。由于構(gòu)件交叉斜裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，混凝土抗剪貢獻(xiàn)持續(xù)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(huì)快速貫穿受壓邊緣而導(dǎo)致構(gòu)件剪切損壞。

3.2 強(qiáng)柱弱梁

大量災(zāi)害調(diào)查研究表明，柱端出鉸易造成局部樓層失穩(wěn)甚至倒塌，豎向承載力無法得到保障，即便未倒塌，結(jié)構(gòu)震后修復(fù)困難，經(jīng)濟(jì)性較差，因而良好的框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能通過梁出鉸來實(shí)現(xiàn)非彈性變形。即便有柱端出鉸的情況，也應(yīng)避免整層樓柱端出鉸而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在該層抗剪剛度銳減造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至坍塌，最典型的以底框結(jié)構(gòu)在震害中表現(xiàn)為底層框架坍塌而上部砌體結(jié)構(gòu)相對完好為代表。為保證結(jié)構(gòu)的延性，在同一節(jié)點(diǎn)處柱端截面抗彎承載力的總和應(yīng)超出梁端截面抗彎承載力總和，計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)依照強(qiáng)柱弱梁的原理，確保框架結(jié)構(gòu)里的柱應(yīng)具備充分的抗彎承載力儲(chǔ)備，較大程度降低柱端屈服的程度，令塑性鉸產(chǎn)生在梁端，進(jìn)而吸收較多地震能量，來提高構(gòu)件的延性。

具體而言，在設(shè)計(jì)過程中會(huì)對梁端進(jìn)行彎矩進(jìn)行“調(diào)幅”，有意識的削弱梁端的抗彎儲(chǔ)備，并通過箍筋加密區(qū)長度、配箍率及箍筋間距等構(gòu)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(shè)計(jì)過程中，有時(shí)會(huì)為因?yàn)楦鞣N原因人為加大梁端縱向配筋，這可能會(huì)導(dǎo)致梁擁有了超出設(shè)計(jì)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(xiàn)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(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震作用產(chǎn)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(xù)梁而言，支座兩側(cè)的負(fù)筋設(shè)計(jì)值往往不同，有時(shí)甚至相差較大，而實(shí)際操作中往往會(huì)以較大一側(cè)設(shè)計(jì)值為參考將支座處貫通配筋此做法實(shí)則人為加大梁端另一側(cè)的支座配筋，筆者建議，框架梁在柱端兩側(cè)的支座配筋設(shè)計(jì)值差別較大時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果分別配筋，同時(shí)兼顧構(gòu)造上盡可能多的鋼筋貫通。

3.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)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(jié)點(diǎn)的動(dòng)力性能被剪切機(jī)錨固機(jī)制掌控，節(jié)點(diǎn)的滯回特征較差，通常不宜設(shè)為能量耗散處，因而梁柱節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)承受水平地震作用的整個(gè)過程中的受力特性都應(yīng)處于彈性范圍內(nèi)。節(jié)點(diǎn)的上柱及下柱的地震作用彎矩符號相對，并且梁在透過節(jié)點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)左右梁的彎矩也相對應(yīng)，所以，節(jié)點(diǎn)被水平方向剪力乃至垂直方向剪力的共同影響，剪力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相鄰柱及梁上剪力，因此，節(jié)點(diǎn)較易產(chǎn)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(diǎn)節(jié)點(diǎn)延性特征的兩個(gè)重點(diǎn)綜合變量有所影響。此外，節(jié)點(diǎn)左右彎矩異號也導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處梁的主筋在節(jié)點(diǎn)一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓，為了確保其傳力在節(jié)點(diǎn)中的梯度變化需求，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)規(guī)避由于節(jié)點(diǎn)錨固粘結(jié)欠缺而損傷。

框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的損傷通常表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)核心范圍箍筋數(shù)額欠缺，在剪力與壓力的共同作用下，節(jié)點(diǎn)核心范圍混凝土產(chǎn)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(yù)防節(jié)點(diǎn)核心范圍產(chǎn)生剪切破壞，需對節(jié)點(diǎn)剪壓比采取控制，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)核心范圍抗剪承載力核算，確保節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土強(qiáng)度及配置充分?jǐn)?shù)額的箍筋，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

從以上結(jié)論可以得出，在我國現(xiàn)行的房屋建筑物的抗震規(guī)范里面對鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)方面主要是概念設(shè)計(jì)這一點(diǎn)，但當(dāng)框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)入到非彈塑性階段的過程時(shí)，就要了解到抗震措施時(shí)提高抗震性能的重要條件與保障。當(dāng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震級別以及變形能力、與構(gòu)件的變形能力至今依舊沒有顯著的定量關(guān)聯(lián)。對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)而言，怎樣將框架結(jié)構(gòu)的受力與抗震方法進(jìn)行定量化且在設(shè)計(jì)里得以進(jìn)行，仍然是我們急需解決的重要問題。

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