高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)

楊宗慧

（承德市正泰建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北 承德067000）

一、明確鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)

影響水平地震作用及結(jié)構(gòu)側(cè)移大小的因素。首先，建筑場(chǎng)地類別，當(dāng)建筑場(chǎng)地越軟時(shí)，地震作用越大，

房屋的側(cè)移越大，反之越小。其次，地震烈度越高時(shí)，地震作用越大，房屋側(cè)移越大，反之越小。第三，建筑物高度越高時(shí)，地震作用越大，房屋側(cè)移越大，反之越小。第四，建筑物的重要性越重要時(shí)，要求結(jié)構(gòu)的可靠度越高，水平地震作用越大，房屋側(cè)移越大，反之越小。為使抗震設(shè)計(jì)真正達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的，規(guī)范根據(jù)上述因素將框架結(jié)構(gòu)分為不同的抗震等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1：框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)分類

二、規(guī)范鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）"強(qiáng)柱弱梁"措施。首先，主要是通過(guò)人為增大相對(duì)于梁的抗彎能力，使塑性更多的出現(xiàn)在柱端而不是梁端，讓結(jié)構(gòu)在地震引起的動(dòng)力反應(yīng)中形成"梁鉸機(jī)構(gòu)"或"梁柱鉸機(jī)構(gòu)"，通過(guò)框架梁的塑性變形來(lái)耗散地震能量。其次，根據(jù)對(duì)構(gòu)件在強(qiáng)震下非線線動(dòng)力分析可知，強(qiáng)震下，由于構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，因此可以耗散部分地震能量，同時(shí)根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)塑性力學(xué)的分析知道，在保證結(jié)構(gòu)不形成機(jī)構(gòu)的要求下，"梁鉸機(jī)構(gòu)"或"梁柱鉸機(jī)構(gòu)"相對(duì)與"柱鉸機(jī)構(gòu)"而言，能夠形成更多的塑性鉸，從而能耗散更多的地震能量，因此我們需要加強(qiáng)柱的抗彎能力，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下形成更優(yōu)、更合理的"梁鉸機(jī)構(gòu)"或"梁柱鉸機(jī)構(gòu)"。第三，框架結(jié)構(gòu)的延性與塑性鉸分布的部位有關(guān)。若梁中先出現(xiàn)塑性鉸形成梁鉸結(jié)構(gòu)，則塑性鉸分布較均勻，每個(gè)塑性鉸所要求的彈性變形量也比較小，而且延性要求也較容易實(shí)現(xiàn)，若柱中出現(xiàn)塑性鉸而形成柱鉸結(jié)構(gòu)，非彈性變形就集中在某一層的柱中，對(duì)柱的延性提出極高的要求，二者往往很難實(shí)現(xiàn)，且柱鉸機(jī)構(gòu)伴隨較大的層間位移，這不僅引起不穩(wěn)定的問(wèn)題，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)承受豎向荷載，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。在經(jīng)受較大側(cè)向位移時(shí)，未能確保框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并能維持它承受豎向荷載的能力，必須要求非彈性變形一般只限于梁內(nèi)，即要求在設(shè)計(jì)荷載下統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)上柱段截面積限彎矩的綜合大于梁端極限彎矩總和。這就是所謂的強(qiáng)柱弱梁，既保證框架柱具有足夠的抗彎承載能力儲(chǔ)備，大大減少柱段屈服的可能性。與國(guó)外規(guī)范相比，建議適當(dāng)提高作用效用，以相對(duì)提高設(shè)計(jì)可靠性，同時(shí)對(duì)九度抗震設(shè)防區(qū)的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)提出更高的延性要求。

（二）強(qiáng)剪弱彎。首先，框架結(jié)構(gòu)的延性與均件的破壞形態(tài)有關(guān)，框架的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則，以減少在非彈性變形時(shí)發(fā)生剪切破壞的可能性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)原則主要是有設(shè)計(jì)剪力的計(jì)算、抗剪承載力計(jì)算公式的選取以及必要的構(gòu)造措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際建立的計(jì)算與抗彎承載力的計(jì)算相類似，按抗震等級(jí)不同采用地震效應(yīng)調(diào)整系數(shù)，但較抗彎承載力計(jì)算更嚴(yán)格，以相對(duì)提高抗彎承載力。第三，為減少框架梁柱在非彈性反應(yīng)趨于發(fā)生剪切破壞的危險(xiǎn)，梁柱端部的設(shè)計(jì)剪力應(yīng)與梁柱端部形成塑性鉸后的極限抗彎強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，抗剪計(jì)算公式的選取主要表現(xiàn)為考慮地震作用的反復(fù)性及剪切問(wèn)題的離散性，采用在縱筋屈服后的偏下限抗彎承載力計(jì)算公式，并輔以抗震構(gòu)造措施。與抗彎承載力的計(jì)算相類似，抗剪計(jì)算一方面需增大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度(提高作用效用)，而且更為重要的是應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)延性要求的不同，即抗震等級(jí)的不同，提出不同的抗剪承載力計(jì)算公式。第四，在加載初期，混凝土承擔(dān)大部分剪力，箍筋起次要作用。隨著構(gòu)件交叉裂縫形成和發(fā)展，混凝土的作用逐漸下降，箍筋起主導(dǎo)作用。這是因?yàn)榉磸?fù)加載次數(shù)的增加，核心區(qū)混凝土裂縫大大開(kāi)展，從而減小弱剪區(qū)混凝土的抗剪能力，另外因混凝土反復(fù)張合，導(dǎo)致剪切鉸合面粗糙程度的較低，削弱了骨料間的咬合作用，由于反復(fù)加載次數(shù)的增加，構(gòu)件剛度逐漸退化，柱兩側(cè)的混凝土逐漸壓潰，剝落而推出工作，導(dǎo)致混凝土抗剪面積的減少，從而小弱抗剪能力，而受壓區(qū)混凝土的保護(hù)層的剝落及塑性鉸區(qū)。較大的非彈性變形，加速了斜裂縫的發(fā)展，削弱抗剪能力。同時(shí)非彈性循環(huán)變形過(guò)程減少了構(gòu)件在給定方向上所能承受的最大非彈性變形。也就是說(shuō)，抗剪承載力退化隨所要求延性系數(shù)的增加而加劇?；跇?gòu)件的非彈性變形量及循環(huán)加載次數(shù)有關(guān)。第五，用剪力增大系數(shù)增大梁端，柱端，剪力墻端，剪力墻洞口連梁端以及梁柱節(jié)點(diǎn)中的組合剪力值，并用增大后的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行受剪截面控制條件驗(yàn)算和受剪承載力設(shè)計(jì)，以避免在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性的剪切破壞。

（三）強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)錨固。為保證框架結(jié)構(gòu)的延性，在梁鉸機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮作用以前，框架節(jié)點(diǎn)，縱筋錨固不應(yīng)過(guò)早破壞，框架節(jié)點(diǎn)破壞主要是因?yàn)楣?jié)電出核心區(qū)箍筋數(shù)量不足，在建立和壓力的共同作用下，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土出現(xiàn)斜裂縫，箍筋屈服至拉斷，柱的縱筋被壓屈以至拉斷而引起的。故規(guī)范通過(guò)保證核心區(qū)混凝土強(qiáng)度及配置足夠數(shù)量的箍筋來(lái)防止節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的過(guò)早剪切破壞，而強(qiáng)錨固要求則通過(guò)在靜力設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上疊加一定的抗震附加錨固長(zhǎng)度，利用鋼筋錨固段的機(jī)械錨固措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于塑性鉸區(qū)混凝土與箍筋剪力變化的關(guān)系。

三、鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計(jì)構(gòu)造措施

（一）軸壓比與縱筋最大配筋率。合理的受力特征可明顯提高構(gòu)件延性，為實(shí)現(xiàn)受拉鋼筋的屈服限于受壓混凝土壓碎的破壞形式，以提高塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，規(guī)范限制軸壓比及縱筋的最大配筋率，同時(shí)混凝土受壓屈高度也提出相應(yīng)要求。

（二）約束箍筋及配筋形式。為保證強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則及塑性區(qū)域的局部延性，有必要加密塑性區(qū)域內(nèi)的局部延性，有必要加密塑性區(qū)域內(nèi)的箍筋間距。這不僅可提高柱端抗剪能力，還可約束核心區(qū)混凝土，對(duì)縱向鋼筋提供側(cè)向支持，防止大變形下縱筋壓屈，從而改善塑性區(qū)域的局部延性。規(guī)范對(duì)約束箍筋的最小直徑，最大間距，塑性鉸區(qū)域的最小長(zhǎng)度都做出了詳細(xì)規(guī)定，并對(duì)箍筋肢距及箍筋形式提出了相應(yīng)要求。

（三）材料要求。材料延性對(duì)確保構(gòu)件延性極為重要，為此規(guī)范對(duì)材料也提出相應(yīng)限制，如保證鋼強(qiáng)屈比，延伸率及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，同時(shí)對(duì)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的鋼筋代換也提出相應(yīng)限制。

（四）梁柱等構(gòu)件延性的影響因素。因素主要是混凝土極限壓應(yīng)變和破壞時(shí)的受壓區(qū)高度。同時(shí)，對(duì)于梁而言，無(wú)論是對(duì)不允許柱出現(xiàn)塑性鉸（底層柱除外）的方案，還是允許柱出現(xiàn)塑性鉸但控制其出現(xiàn)時(shí)間和程度的方案，梁端始終都是引導(dǎo)出現(xiàn)塑性鉸的主要部位，所以都希望梁端的塑性變形有良好的延性（即不喪失基本抗彎能力前提下的塑性變形轉(zhuǎn)動(dòng)能力）和良好的塑性耗能能力。因此除計(jì)算上滿足一定的要求外，還要通過(guò)的一系列嚴(yán)格的構(gòu)造措施來(lái)滿足梁的這種延性。

結(jié)束語(yǔ)。綜上所述，在我國(guó)現(xiàn)在的高層建筑中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最普遍,最常用的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性,提高延性可以增加結(jié)構(gòu)抗震潛力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力。設(shè)計(jì)人員在合理體現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步增大作用效應(yīng)以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度，以提高建筑物的抗震性能。

[1]付永峰，郭明明.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展.【會(huì)議】河南省土木建筑學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.2010-03-01.