建筑框架結(jié)構(gòu)抗震延性設(shè)計探討

王明

【摘要】在滿足承載能力的條件下，結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣取決于結(jié)構(gòu)的延性性能。結(jié)構(gòu)承載能力較高，延性變形能力較小，水平地震作用下吸收的地震能量較少，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇超過本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震作用時，很容易因脆性破壞而造成結(jié)構(gòu)坍塌。因此，如何提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的延性實現(xiàn)問題一直是工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題。本文結(jié)合現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2002）（以下簡稱“規(guī)范”） 和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2008）（以下簡稱“抗規(guī)”）對框架結(jié)構(gòu)的延性實現(xiàn)問題進行了分析總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)；延性設(shè)計；抗震

結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是結(jié)構(gòu)在地震作用下通過塑性變形耗散和吸收能量的能力，提高結(jié)構(gòu)的變形能力和結(jié)構(gòu)抗震性能。本文結(jié)合現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，分析了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本思想和基本公式要求，以及保證結(jié)構(gòu)抗震延性的基本構(gòu)造措施。

一、框架結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計

框架結(jié)構(gòu)主要由框架梁、框架柱和梁柱節(jié)點組成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的延性很大程度上取決于框架梁和框架柱構(gòu)件本身的延性和屈服彎矩。在地震作用下，框架經(jīng)歷加載和卸載的過程，即吸收和釋放能量的循環(huán)，循環(huán)能量的差值即為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下耗能的過程。結(jié)構(gòu)吸收的地震能量可以由力—位移曲線所包圍的面積來表示，如圖1。

（a）力-位移曲線的前期（b）力-位移曲線的后期

圖1力—位移曲線

1.1框架梁的延性設(shè)計

框架梁的延性設(shè)計可以從正截面抗彎和斜截面抗剪兩個方面進行設(shè)計。

1.1.1框架梁正截面延性設(shè)計

框架梁正截面破壞形式有三種：少筋破壞、適筋破壞和超筋破壞。

少筋破壞即梁受拉區(qū)配置縱向鋼筋數(shù)量較少，因此在彎矩作用下，受拉區(qū)混凝土一開裂，受拉鋼筋即屈服，甚至進入強化階段，構(gòu)件破壞。為此，《規(guī)范》9.5.1條表9.5.1對最小配筋進行控制，防止出現(xiàn)少筋梁脆性破壞，即

ρmin≥max0.2%，45ftfy% （1）

式中ft——混凝土抗拉強度設(shè)計值；

fy——縱筋抗拉強度設(shè)計值。

超筋破壞即縱向受拉鋼筋配置量較多，在彎矩作用下鋼筋未屈服而受壓區(qū)混凝土破碎，屬破壞較突然的脆性破壞。為此，《規(guī)范》第7.2.1條在計算構(gòu)件受壓區(qū)高度時規(guī)定了式（2）的限制條件，同時《抗規(guī)》6.3.3條第1款對不同抗震等級的框架梁的最大配筋率進行了限制，以防止出現(xiàn)超筋梁破壞。

x≤ξbh0 （2）

式中x——截面受壓區(qū)高度；

ξb——界限受壓區(qū)高度；

h0——截面有效高度。

為保證梁處于適筋狀態(tài)，設(shè)計結(jié)果除滿足式（1）、（2）外還需滿足：

ρmax≤ξbα1fcfy （3）

x≥2a' （4）

式中α1——受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值的比值，取值參見《規(guī)范》第7.1.3條；

fc——混凝土抗壓強度設(shè)計值；

a'——受壓區(qū)全部縱向鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離。

1.1.2框架梁的斜截面延性設(shè)計

框架梁斜截面破壞形式有三種：斜拉破壞、斜壓破壞和剪壓破壞。

由于沒有足夠而有效的鋼筋穿過斜截面而發(fā)生一裂即壞的斜拉破壞。為了避免工程設(shè)計中出現(xiàn)斜拉破壞，《規(guī)范》第10.2.10條對梁的最小配箍率給予了限制，即

ρsv，min=0.24ftfy （5）

同時為滿足不同抗震需求，《抗規(guī)》6.3.3條第3款、6.3.5對不同抗震等級的框架梁的箍筋直徑、肢距等作出了相應(yīng)規(guī)定。

斜壓破壞是由于在穿過斜裂縫的腹筋屈服前，剪壓區(qū)混凝土的受壓承載力不足，混凝土先被壓壞。設(shè)計中往往通過截面控制防止斜壓破壞的出現(xiàn)，《規(guī)范》第7.5.1條對此項進行了規(guī)定，

當(dāng)hw/b≤4時，V≤0.25βcfcbh0 （6）

當(dāng)hw/b≤6時，V≤0.25βcfcbh0 （7）

當(dāng)4

式中V——構(gòu)件斜截面上的最大剪力設(shè)計值；

hw——截面的腹板高度：對矩形截面，取有效高度；對“T”形截面，取有效高度減去翼緣高度；對“工”字形截面取腹板凈高；

b——矩形截面的寬度，“T”形截面或“工”字形截面的腹板寬度；

βc——混凝土強度影響系數(shù)，取值參見7.1.3條。

1.2框架柱的延性設(shè)計

框架柱是結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，在抗震設(shè)計中對框架柱提出了很多要求。影響框架柱延性的主要因素有：

（1）軸壓比。國內(nèi)外的試驗研究表明，受壓構(gòu)件的位移延性隨軸壓比的增加而減小?！兑?guī)范》第11.4.16條表11.4.16列出了不同結(jié)構(gòu)體系和抗震等級的軸壓比限值，由此表可以發(fā)現(xiàn)隨著抗震等級的提高，軸壓比要求趨于嚴(yán)格。實際工程中，往往通過增加柱的配箍率、采用復(fù)合箍、螺旋箍筋等形式加強箍筋對混凝土的約束作用，提高混凝土的抗壓強度，增大其極限應(yīng)變，從而改善柱的延性和耗能能力。

（2）剪跨比λ（λ=Hn/（2h0），Hn為框架柱的凈高；h0為梁截面的有效高度）。研究結(jié)果表明，剪跨比能大體反映出截面上彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力的比例關(guān)系，是決定框架柱延性破壞還是脆性破壞的主導(dǎo)因素。在地震反復(fù)循環(huán)荷載作用下，隨著剪跨比的增大，構(gòu)件所能承受的最大水平荷載逐漸減小，構(gòu)件的破壞形態(tài)不斷轉(zhuǎn)化（依次為λ<15的超短柱的剪切斜拉破壞、1.5≤λ≤2的短柱的粘結(jié)開裂破壞、λ>2的長柱的彎曲壓潰破壞），變形能力不斷提高。

1.3節(jié)點的延性設(shè)計

鋼筋混凝土框架的延性和能量耗散能力，主要源之于梁和柱子上經(jīng)過專門構(gòu)造處理的塑性鉸的變形。由于節(jié)點的動力性能受剪切和錨固機制控制，節(jié)點的滯回特性較差，是能量耗損較差的部位，一般不宜作為能量耗散部位，節(jié)點的變形限制在彈性范圍內(nèi)。為了加強在地震作用下節(jié)點對整體結(jié)構(gòu)的貢獻，提高結(jié)構(gòu)的延性和剛度，節(jié)點設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

（1）強節(jié)點。節(jié)點的設(shè)計荷載應(yīng)具有與其相連接的構(gòu)件設(shè)計荷載具有相同的特性。要求節(jié)點具有足夠的強度以抵抗與其相連接的構(gòu)件的不利組合，必要時可以抵抗相對較大的荷載。

節(jié)點核心區(qū)是保證框架承載力和延性的關(guān)鍵部位。為使鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點具有較高的強度，《抗規(guī)》要求對于一、二級的節(jié)點核心區(qū)應(yīng)進行內(nèi)力分析，并采取附加的構(gòu)造措施，對于三、四級框架只要求采取抗震構(gòu)造措施。

（2）強錨固，防止鋼筋滑移或被拔出。為使框架的梁柱縱向鋼筋有可靠的錨固條件，保證節(jié)點核心區(qū)混凝土的抗剪承載力，框架梁柱節(jié)點核心區(qū)的混凝土應(yīng)具有良好的約束，因此，規(guī)范對節(jié)點核心區(qū)內(nèi)的配箍特征值進行了限制，一、二、三級框架節(jié)點核心區(qū)的配箍特征值分別不宜小于0.6%、0.5%和0.4%。

二、結(jié)束語

框架結(jié)構(gòu)的抗震延性設(shè)計允許結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件在預(yù)期的地震作用下發(fā)生反復(fù)的彈塑性變形，在保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生坍塌的情況下，允許部分構(gòu)件通過變形損傷進行滯回耗能。從某種意義上來說，結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)就是延性，延性結(jié)構(gòu)是以變形為抗震能力。

參考文獻

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