淺談框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要點

張倫

身份證412321198407150039

淺談框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要點

張倫

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建筑的結(jié)構(gòu)體系主要包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等。在這些結(jié)構(gòu)體系中，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計是不利于抗震的,因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)該最大程度地保證建筑的抗震能力。建筑抗震的設(shè)計要求，是根據(jù)各地的不同環(huán)境以及建筑物的特性等因素來決定的。在抗震設(shè)計時，必須將各項因素綜合考慮進(jìn)去。這里就抗震設(shè)防對框架結(jié)構(gòu)的延性和鋼筋要求進(jìn)行分析研究。

房屋建筑；框架結(jié)構(gòu)；抗震；設(shè)計要點

1 框架結(jié)構(gòu)在地震中的形態(tài)

箍筋彎鉤長度過短，地震時錨固失效，喪失了對縱筋的支撐和對核心混凝土的約束。底層填充墻很少或沒有,造成剛度太小，形成薄弱層破壞。對填充墻的認(rèn)識不足,如窗下墻使框架長柱變成短柱，發(fā)生剪切破壞。

結(jié)構(gòu)之間的變形縫間距普遍太小，建筑和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造不合理，導(dǎo)致在地震中出現(xiàn)相互碰撞的情況。建筑物高度不夠，尚未產(chǎn)生嚴(yán)重后果，但表面破損嚴(yán)重，會給使用人造成心理壓力，影響震后的使用。節(jié)點破壞的主要原因是梁柱節(jié)點箍筋不足甚至沒有，節(jié)點抗剪能力差：一種情況是節(jié)點區(qū)的箍筋綁扎不夠牢靠，振搗混凝土?xí)r箍筋往下滑移至柱頂區(qū)域；另一種情況是節(jié)點區(qū)箍筋綁扎困難，施工時根本就沒有配置箍筋。

2 現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計中的不足

現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計中的不足給主體結(jié)構(gòu)的地震分析帶來困難,不易選取合適的結(jié)構(gòu)抗震分析模型,不易正確地估計地震反應(yīng)。從目前我國規(guī)范來看，處理填充墻對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度貢獻(xiàn)時，通常考慮將結(jié)構(gòu)自振周期折減,從而放大地震作用來整體考慮,未考慮平面及豎向填充墻體布置的不同對結(jié)構(gòu)的影響。

框架結(jié)構(gòu)的任意樓層不可避免地存在一定數(shù)量的填充墻,而一般來講，填充墻體會先于框架柱開裂。因此，為避免填充墻這一非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到較大損壞，用于層間位移驗算的層間位移角限值必須考慮容許的填充墻體開裂程度。建議將框架多遇地震作用下彈性層間位移角限值適當(dāng)減小，而多遇地震作用主要是保證結(jié)構(gòu)為彈性狀態(tài)。填充墻體與框架梁柱存在一定間隙，不同材料的填充墻體,其變形也存在一定差異，所以在多遇地震驗算時，規(guī)范對填充墻體的剛度考慮是合理的。

填充墻處理不當(dāng)往往引起主體結(jié)構(gòu)的破壞，如形成短柱，產(chǎn)生剪切破壞，應(yīng)該引起設(shè)計者的重視。綜合各種因素，一旦進(jìn)入彈塑性驗算時，其層間位移超過了多遇地震下的層間位移，如果此時驗算不考慮填充墻體的剛度，或者考慮周期折減，驗算的結(jié)果往往存在較大誤差甚至錯誤。此時應(yīng)計入填充墻體剛度的影響，可將其折算成混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)來考慮。現(xiàn)行規(guī)范對彈塑性層間位移角限值是比較保守的，可以增大[1]。

3 建筑框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計說明

20世紀(jì)70年代以來，人們在總結(jié)大地震災(zāi)害經(jīng)驗中提出了概念設(shè)計這一概念。概念設(shè)計是指正確地解決總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到進(jìn)行合理抗震設(shè)計的目的。掌握概念設(shè)計將有助于明確抗震設(shè)計思想,靈活恰當(dāng)?shù)剡\用抗震設(shè)計原則，不致于陷入盲目的計算工作，做到比較合理地進(jìn)行抗震設(shè)計。

地震對建筑物作用的顯著特點是與建筑物本身、場地土的動力特性有關(guān)。當(dāng)?shù)卣鸩◤恼鹪唇?jīng)過基巖傳播到建筑場地后，地表土相當(dāng)于一個放大器和一個濾波器。一方面把基巖的加速度放大。地表土越深，土質(zhì)越差，這種放大作用越顯著，對建筑物產(chǎn)生的震害也越大。另一方面，各種不同頻率組成的地震波通過地表土?xí)r,與場地土自振周期一致的成分得到放大，不一致的成分衰減。地表土起到了濾波器的作用，使地震波的主頻率與場地卓越周期的頻率一致。建筑物在地震作用下要受到慣性力，使建筑物產(chǎn)生內(nèi)力與位移。地震力的大小與建筑物的質(zhì)量和剛度有關(guān)。

在同等烈度的場地條件下，建筑物的自重越大，受到的地震力也越大，因此，減輕結(jié)構(gòu)自重，不僅可以節(jié)省建筑材料，而且有利于抗震。同樣，結(jié)構(gòu)剛度越大，周期越短，受到地震力也越大，因此，建筑的剛度不宜過大。在滿足許可位移的前提下,可以適當(dāng)調(diào)整建筑物的剛度，適當(dāng)延長建筑物的周期，降低地震力，這會有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 房屋建筑框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計采取的措施

裝修改造工程必須嚴(yán)格遵守國家有關(guān)規(guī)定，不得損壞原有建筑結(jié)構(gòu)，要確保結(jié)構(gòu)安全。做好細(xì)部構(gòu)造，使非結(jié)構(gòu)構(gòu)件成為抗震結(jié)構(gòu)的一部分。在計算分析時，充分考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的質(zhì)量剛度、強(qiáng)度和變形能力。選用合理的抗震結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的主體剛度，以減小主體結(jié)構(gòu)的變形量，防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對主體結(jié)構(gòu)的影響，考慮可能出現(xiàn)的短柱，在設(shè)計中予以加強(qiáng)。

框架結(jié)構(gòu)抗震措施：在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)力求做到在地震作用下的框架呈現(xiàn)梁鉸型延性機(jī)構(gòu)。為減少梁端塑性鉸區(qū)發(fā)生脆性剪切破壞的可能性，梁的變形能力主要取決于梁端的塑性轉(zhuǎn)動能力，而塑性轉(zhuǎn)動能力與截面混凝土受壓區(qū)相對高度有關(guān)。梁底面和頂面縱向鋼筋的比值同樣對梁的變形能力有較大影響，梁底面的鋼筋可增加負(fù)彎矩時的塑性轉(zhuǎn)動能力，還能防止在地震中梁底出現(xiàn)正彎矩時過早屈服或破壞過重。

彎矩調(diào)整：框架結(jié)構(gòu)的變形能力與框架的破壞機(jī)制密切相關(guān)。實驗研究表明，梁先屈服可使整個框架有較大的內(nèi)力重分布和能量耗散能力。柱一般在軸向壓力作用下，其延性通常比梁的要小。如果不采取“強(qiáng)柱弱梁”措施，柱端很可能比梁端先出現(xiàn)塑性鉸。因此適當(dāng)調(diào)整柱計算內(nèi)力并增大配筋，使塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，抗震性能較好。

對于一、二、三級框架節(jié)點的上下柱端，其組合的彎矩設(shè)計值之和∑MSc應(yīng)按下式調(diào)整：

由于抗震規(guī)范規(guī)定的柱端彎矩增大措施只能適度推遲柱端塑性鉸的出現(xiàn)，而不能避免出現(xiàn)柱端塑性鉸，因此對柱端也應(yīng)提出“強(qiáng)剪弱彎”要求，避免柱底部在彎曲破壞之前出現(xiàn)剪切破壞。對于一、二、三級框架柱的柱端截面組合的剪力設(shè)計值V應(yīng)按下式調(diào)整：

同時，抗震設(shè)防烈度為9度和一級框架還要符合：

式中，ηVc為柱端剪力增大系數(shù)，一、二、三級框架分別取1.4、1.3、1.2。Mcb、Mct、Mcuab、Mcuat分別為柱上下端截面組合時的彎矩設(shè)計值和實配的鋼筋按標(biāo)準(zhǔn)值計算的所能承擔(dān)的彎矩值。

控制柱的軸壓比越大導(dǎo)致柱的抗壓強(qiáng)度儲備越低，在地震時混凝土容易壓碎而導(dǎo)致柱的損壞，限制柱軸壓比可提高柱的延性。

5 結(jié)語

建筑框架結(jié)構(gòu)雖然是抗震的不利結(jié)構(gòu)形式，但是為了避免地震給人類帶來大的巨大災(zāi)難，框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計應(yīng)克服框架結(jié)構(gòu)的諸多弊端，運用科學(xué)有效的方法和手段，確保建筑結(jié)構(gòu)安全,從而實現(xiàn)建筑正常的使用功能。抗震設(shè)計要保證建筑小震不破壞,大震不倒塌，達(dá)到安全而經(jīng)濟(jì)的目的。

[1]萬杰,何梅,郭華.汶川地震后建筑構(gòu)造抗震措施之反思[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2008,40(5)：631-636.