關(guān)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的思考

【摘要】現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，由于其具有使用空間可以靈活分隔、可實(shí)現(xiàn)建筑大空間的功能需求、自重輕、施工方便等優(yōu)點(diǎn)而深受廣大設(shè)計(jì)師和業(yè)主單位的喜愛(ài)，在大型商業(yè)，倉(cāng)儲(chǔ)，學(xué)校，宿舍，辦公等建筑類型中得到了廣泛的應(yīng)用。但是部分現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在歷次的地震中的抗震性能表現(xiàn)卻不盡如人意。本文將從設(shè)計(jì)出發(fā)分析影響現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的多種因素，希望能對(duì)其抗震性能的提高起到積極的作用。

【關(guān)鍵詞】抗震設(shè)計(jì)；框架結(jié)構(gòu)；延性；概念設(shè)計(jì)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 11.070

地震作為一種自然災(zāi)害，給人類的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。從目前已有的地震記錄來(lái)看，每次大的地震發(fā)生時(shí)都會(huì)造成大樣房屋的倒塌，導(dǎo)致大量的人員傷亡和巨額的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（后文中均簡(jiǎn)稱框架結(jié)構(gòu)）作為一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，由于其具有使用空間可以靈活分隔、可實(shí)現(xiàn)建筑大空間的功能需求、自重輕、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析理論承受，施工方便等優(yōu)點(diǎn)而深受廣大設(shè)計(jì)師和業(yè)主單位的喜愛(ài)，在大型商業(yè)，倉(cāng)儲(chǔ)，學(xué)校，宿舍，辦公等建筑類型中得到了廣泛的應(yīng)用。但根據(jù)國(guó)內(nèi)近些年唐山、汶川、玉樹(shù)等地區(qū)地震的震害調(diào)查表明：部分框架結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能表現(xiàn)卻不盡如人意，出現(xiàn)了很多底層框架柱破壞引起房屋整體坍塌，局部框架柱柱腳破壞引起房屋局部倒塌的情況。影響框架結(jié)構(gòu)抗震性能表現(xiàn)的因素有很多，主要包括設(shè)計(jì)和施工兩方面的原因。

1、我國(guó)目前建筑物抗震設(shè)防的基本原則：

根據(jù)目前的科學(xué)研究表明，地震的成因主要有：構(gòu)造板塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的地震、地殼巖石的膨脹引起的地震、地下化學(xué)或核裝置的爆炸、火山地震、塌陷地震、水庫(kù)誘發(fā)大地震。由此可見(jiàn)，地震的成因很多，但是其中板塊構(gòu)造學(xué)作為地震成因的地質(zhì)學(xué)解釋得到了廣泛的認(rèn)可。中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306規(guī)定了我國(guó)各地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度及地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期，在進(jìn)行建設(shè)工程抗震設(shè)防時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011根據(jù)地震特點(diǎn)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，國(guó)家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，建筑材料及施工的現(xiàn)狀等綜合考慮，制定了我國(guó)現(xiàn)階段房屋建筑采用的三水準(zhǔn)抗震設(shè)防基本原則：

第一目標(biāo)——小震不壞，當(dāng)遭受低于本地區(qū)地震基本烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不修理可繼續(xù)使用。其中小震指改地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為63%的地震烈度，即眾值烈度又稱多遇地震約50年一遇。

第二目標(biāo)——中震可修，當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)地震基本烈度的地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。其中中震指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為10%的地震烈度，又稱基本烈度或設(shè)防烈度約474年一遇。

第三目標(biāo)——大震不倒，當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。其中大震指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為2%～3%的地震烈度，又稱罕遇地震約1600～2500年一遇。

2、框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：

按照目前的三水準(zhǔn)設(shè)防基本原則，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)主要的設(shè)計(jì)方法是：先按小震水平進(jìn)行地震計(jì)算，然后再按照相應(yīng)的規(guī)范要求采取相應(yīng)的構(gòu)造加強(qiáng)措施來(lái)保證三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?；谀壳暗脑O(shè)計(jì)方法，我認(rèn)為在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)從宏觀層面上做好結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，然后再?gòu)奈⒂^層面上做好相應(yīng)的受力計(jì)算、分析及構(gòu)件的截面和配筋設(shè)計(jì)。

抗震概念設(shè)計(jì)可以使一些在計(jì)算中或規(guī)范中難以做出具體規(guī)定的問(wèn)題得到基礎(chǔ)的解決方案。工程師在抗震設(shè)計(jì)中運(yùn)用“概念設(shè)計(jì)”從基本的力學(xué)原理出發(fā)可以進(jìn)行一些抽象問(wèn)題的分析，做出判斷，然后采取相應(yīng)的措施保證結(jié)構(gòu)的抗震安全。以往的地震震害表明規(guī)則性好的框架結(jié)構(gòu)在地震中具有較好的抗震性能表現(xiàn)，規(guī)則性差的框架結(jié)構(gòu)往往在地震中破壞嚴(yán)重，甚至倒塌。經(jīng)過(guò)歸納總結(jié)，規(guī)則性好的建筑大多具有如下特點(diǎn)：

（1）高寬比小，減小了地震作用下傾覆的可能性。

（2）樓層高度接近，各層剛度均衡。

（3）平面基本對(duì)稱，減少了扭轉(zhuǎn)。

（4）兩個(gè)主軸方向的抗力相近，使各方向的抗力均衡。

（5）平面和立面分布均勻，減少應(yīng)力集中。

（6）在外圍設(shè)置抗震構(gòu)件，增大結(jié)構(gòu)抗扭能力。

（7）跨度短，減小構(gòu)件應(yīng)力。

（8）冗余度大，避免某些構(gòu)件破壞引起結(jié)構(gòu)倒塌。

（9）荷載傳遞直接，沒(méi)有長(zhǎng)懸臂構(gòu)件，避免應(yīng)力集中。

框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行受力分析計(jì)算及構(gòu)件的截面及配筋設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定建筑物所在地的抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別及建筑物的抗震設(shè)防類別進(jìn)而確定框架的抗震等級(jí)，按照“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的總體原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在當(dāng)前的多高層建筑中，往往為了某種使用功能的要求將底層或中間某層的層高設(shè)計(jì)的比相鄰樓層大很多，此類建筑在歷次的地震中多出現(xiàn)軟弱層整體大變形倒塌的破壞形式，震害嚴(yán)重。因此在設(shè)計(jì)此類框架結(jié)構(gòu)時(shí)要注意此類結(jié)構(gòu)相鄰范圍層剛度比的調(diào)節(jié)，通過(guò)合理確定相鄰層層高及抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸等將相鄰層的剛度差別控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，避免地震中結(jié)構(gòu)某層形成柱鉸機(jī)構(gòu)而發(fā)生破壞。

強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)原則可以保證結(jié)構(gòu)在承受設(shè)防地震或罕遇地震時(shí)，首先在梁端形成塑性鉸進(jìn)行地震能量的耗散，從而避免形成柱鉸機(jī)構(gòu)而發(fā)生建筑物的倒塌。由于塑性鉸是耗散地震能量時(shí)對(duì)地震做延性反應(yīng)的關(guān)鍵，所以在進(jìn)行框架梁、柱配筋設(shè)計(jì)時(shí)一定要按照規(guī)范要求根據(jù)不同的抗震等級(jí)設(shè)置相應(yīng)大小和間距的約束鋼筋使構(gòu)件具有相應(yīng)的延性。

歷次的地震表明：填充墻的設(shè)置不當(dāng)會(huì)因?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)部分砌體或混凝土填充物與框架柱硬性連接而引起的加強(qiáng)效應(yīng)形成短柱，導(dǎo)致其承受很大的剪力而發(fā)生剪切破壞。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的通病，應(yīng)在設(shè)計(jì)中引起特別的注意，無(wú)法避免時(shí)應(yīng)對(duì)該部位框架柱進(jìn)行配筋加強(qiáng)處理，如加大構(gòu)件的配筋率及箍筋的體積配箍率并沿全高進(jìn)行箍筋加密設(shè)置。

框架梁柱節(jié)點(diǎn)不應(yīng)成為四個(gè)連接構(gòu)件之間的薄弱環(huán)節(jié)，在地震力作用下，框架梁柱節(jié)點(diǎn)通常承受很高的剪力，如果不配置足夠的鋼筋將會(huì)導(dǎo)致框架強(qiáng)度和剛度的過(guò)分降低甚至倒塌。強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)就是要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的承載能力，使精心設(shè)計(jì)的延性構(gòu)件能先于節(jié)點(diǎn)發(fā)生塑性變形而耗散地震能量，使結(jié)構(gòu)能夠?qū)Φ卣鸢l(fā)生延性反應(yīng)。

3、框架結(jié)構(gòu)施工工程中影響其抗震性能表現(xiàn)的因素

優(yōu)良的施工質(zhì)量是框架結(jié)構(gòu)抗震安全的必要保證，以往的工程經(jīng)驗(yàn)顯示如下幾點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響顯著：1，梁柱節(jié)點(diǎn)位置節(jié)點(diǎn)區(qū)由于各構(gòu)件縱筋在此處相交，節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋設(shè)置鉸困難，常出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置箍筋設(shè)置不到位的情況，從而影響梁柱節(jié)點(diǎn)的承載力，地震時(shí)容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)先于構(gòu)件破壞的情況2，梁柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)相差較大時(shí)，施工過(guò)程中控制不到位導(dǎo)致低強(qiáng)度混凝土混入柱內(nèi)的情況3，梁柱箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度設(shè)置不滿足設(shè)計(jì)要求4，箍筋與縱筋綁扎不到位，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塑性鉸位置塑性變形能力降低，影響結(jié)構(gòu)的延性耗能能力。因此施工過(guò)程中一定要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙及國(guó)家相應(yīng)規(guī)范實(shí)施，確保工程質(zhì)量的優(yōu)良。

結(jié)語(yǔ)：

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種常用的結(jié)構(gòu)形式，影響其抗震性能的因素很多，本文從設(shè)計(jì)及施工的角度分析了影響其抗震性能的一些因素并給出了相應(yīng)的建議，希望能對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的提高起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

朱中一（1987-），男，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，本科，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。