鋼筋混凝土結構抗震延性理論應用和施工處理

朱　莉

中圖分類號:TU3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910081-01

一、前言

2008年5月12日,我國四川省汶川縣發生了8.0級特大地震,舉國震驚,給人民生命財產造成了重大損失。地震災害的主要原因是由地震引起的建筑物和工程設施的破壞以及次生災害。我們做好抗震設防地區建筑工程的抗震設計及施工處理,是減輕地震災害損失最積極、最有效的措施。

二、建筑鋼筋混凝土結構的延性理念

根據抗震規范規定,我國的抗震設防目標是以“小震不壞,中震可修,大震不倒”為原則。建筑物在地震作用下能否倒塌破壞,并不取決于其承載力的大小,而是取決于其延性是否能夠達到設計要求。我們可以通過人為措施使結構具有一定的延性,從而使結構在發生足夠的非線性變形時維持承載力不會急劇下降。這樣結構在非線性變形情況下才能消耗地震能,從而確保結構在較大非線性變形情況時不會因為強度的突然下降而破壞倒塌。當我們運用單質點體系的無阻尼振動理論來分析這個問題時,我們知道體系在平衡位置時的動能在最大位移處將轉化為彈性勢能和塑性變形能,塑性變形能同時又被消耗掉,減少了體系的總能量。地震作用是個往復的作用,建筑結構在地震力作用下振動過程中,通過塑性變形能耗散地震輸給結構的累積能量,從而減小了地震反應。由于結構在進入非彈性狀態后側向剛度明顯小于彈性剛度,這就會導致結構瞬時剛度的下降,同時自振周期加長,這也就減小了地震的作用。

三、鋼筋混凝土結構的抗震措施

我國在抗震設計時對鋼筋混凝土結構是高延性要求,即要求鋼筋混凝土結構在屈服后塑性變形狀態下仍保持承載其豎向荷載和水平荷載的能力。抗震設計時要求使柱端抗彎能力大于梁端抗彎能力,使結構在地震作用下形成梁鉸結構或梁柱鉸結構,提高構件節點或端部的抗剪能力,以避免構件發生非延性的剪切破壞。鋼筋混凝土的抗剪能力由四部分組成:混凝土抗剪能力;裂縫界面骨料咬合力;縱筋銷栓力;箍筋拉力。通過分析框架梁的梁端抗剪能力可知,當結構形成塑性鉸后混凝土的梁端抗剪能力會有所下降,通過結構力學和材料力學的分析可知,這主要是因為梁端剪力總是正剪力大于負剪力,當發生剪切破壞時,混凝土保護層剝落,剪壓區出現在梁的下面部分,且不是現澆板,所以導致混凝土剪壓區抗剪能力下降。實驗顯示在非抗震情況下剪切破壞發生在縱筋屈服之前,而在抗震情況下剪切破壞卻發生在塑性鉸充分轉動時,使混凝土的交叉裂縫寬度加大,從而導致斜裂縫界面中的骨料咬合效應退化,混凝土結構破壞更加嚴重,混凝土的抗剪能力下降。同時縱筋的抗剪銷栓作用由于混凝土保護層的剝落和裂縫而減小。

當我們在計算鋼筋混凝土的抗剪能力時,往往只計算混凝土自身的抗剪能力和箍筋的抗剪能力,而以多余的強度儲備來處理斜裂縫界面中的骨料咬合能力及縱筋的銷栓作用。梁端在形成塑性鉸后,就使骨料咬合力和縱筋銷栓作用減弱,鋼筋混凝土的抗剪強度的儲備也會減弱,此時由于混凝土的抗剪能力的下降的原因,鋼筋混凝土抗剪能力也會比非抗震時相應減小,如果要使鋼筋混凝土抗剪能力不變,那么就只有使箍筋抗剪能力變大,這就需要增加箍筋的用量,由此我們知道,抗震情況下箍筋的使用量比非抗震情況下要多一些,這正是由于混凝土項的抗剪能力下降而必須相應的加大箍筋的使用量,而不是因為地震作用使鋼筋混凝土梁的剪力變大了才增加箍筋的使用量。

首先,對于鋼筋混凝土梁來說,鋼筋混凝土梁端是形成塑性鉸的主要部位,所以要控制梁端的塑性變形使其具有良好的延性,即通過相應的構造措施確保形成塑性鉸的部位具有足夠的延性和塑性耗能能力。混凝土極限壓應變及構件破壞時的受壓區高度是影響鋼筋混凝土梁延性的兩大基本因素。所以在建筑施工過程中,需要更多的抗震構造措施來滿足鋼筋混凝土梁的延性。如:建筑施工中需要嚴格控制受拉鋼筋的配筋率。目的是為了使受拉鋼筋屈服時的混凝土受壓區壓應變與梁最終破壞時的極限壓應變留有一定的差距,確保鋼筋混凝土梁在混凝土受拉區開裂時鋼筋不會屈服或被拉斷。鋼筋混凝土梁的受壓鋼筋在抗震時可以分擔一部分剪力,從而減小受壓區高度。正確使用箍筋用法及用量是充分利用箍筋抗剪作用的前提,合理規定箍筋的最小直徑,保證縱筋在受壓過程中不會過早的導致局部失穩,同時也通過箍筋來約束受壓混凝土梁,進而提高其極限壓應變和抗壓強度。

其次,對于鋼筋混凝土柱而言,不僅受彎矩和剪力作用外,還要承受軸力作用,所以對于鋼筋混凝土柱來說對軸壓比還要有限制,對于不同烈度且有不同延性要求的鋼筋混凝土結構有不同的軸壓比限值。此外,鋼筋混凝土柱端部箍筋用量的控制,是采用配箍特征值,而不只是簡單的用體積配箍率,是因為考慮箍筋強度等級及混凝土強度等級對配箍量的影響。由于高強度混凝土的極限壓應變比一般混凝土小,且強度越高,小的越多;所以,混凝土強度越高,混凝土發生破壞時的脆性特征就越明顯,對于抗震來說這是非常不利的。

再者,在現澆鋼筋混凝土結構中,鋼筋混凝土剪力墻在受力方面有剛度大、變形小的優點,所以在地震作用下,可以設計成延性抗震剪力墻。再通過連梁及墻肢底部形成的塑性鉸的塑性變形來耗散地震能量。鋼筋混凝土剪力墻的主要作用是抗側力,所以合理的布置鋼筋混凝土剪力墻是構建良好抗震性能的建筑結構的基礎。在新規范里規定的處理方法是將長墻分成墻段,使墻的高寬比大于2。對于抗震鋼筋混凝土剪力墻結構,如果使內縱墻很長,并且連梁的跨高比相對較小、但剛度大,墻的整體性好,在水平的地震力作用下,鋼筋混凝土剪力墻的剪切變形就會較大,墻體的破壞高度就會超過底部加強部位的高度。在這里墻段由墻肢和連梁組成。目的是在于設置剛度和承載力較小的連梁,使其在地震作用下先破壞,從而使墻段成為抗側力結構。抵抗水平地震力。

四、結語

鋼筋混凝土結構廣泛應用于多層、高層建筑中,是建筑物的主要結構形式,加強其抗震設計及施工的研究,對于防震減災是不無裨益的。