鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震措施及其原理探討

賀琴

（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震措施

使混凝土框架結(jié)構(gòu)具有高延性的“能力設(shè)計(jì)措施”即為我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的“抗震措施”。就我國現(xiàn)行的抗震規(guī)范而言，抗震措施主要有強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件和構(gòu)造措施。

1.1 強(qiáng)柱弱梁

“強(qiáng)柱弱梁”措施是為了使梁端鉸較早地出現(xiàn)，使柱端的塑性鉸出現(xiàn)晚，或根本不出現(xiàn)。梁鉸機(jī)制之所以優(yōu)于柱鉸機(jī)制是因?yàn)榱恒q分散在各層，即使梁端全部形成了塑性鉸，結(jié)構(gòu)仍不會形成機(jī)構(gòu)，不至于立即倒塌。而一旦某一層全部柱的上、下端都已經(jīng)形成了塑性鉸，該層就將與其以上樓層一起形成機(jī)構(gòu)，從而形成倒塌機(jī)構(gòu)。梁鉸的數(shù)量遠(yuǎn)多于柱鉸的數(shù)量，在同樣大小的塑性鉸變形和耗能要求下，對梁鉸的塑性轉(zhuǎn)動能力要求低，對柱鉸的塑性轉(zhuǎn)動能力要求高；梁是受彎構(gòu)件，容易實(shí)現(xiàn)大的延性和耗能能力，柱是壓彎構(gòu)件，尤其是軸壓比大的柱，不容易實(shí)現(xiàn)大延性。設(shè)計(jì)中，依據(jù)我國抗震規(guī)范通過調(diào)整匯交在同一節(jié)點(diǎn)的梁端截面受彎承載力與柱端截面的正截面承載力的相對關(guān)系實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制。

1.2 強(qiáng)剪弱彎

適筋梁或大偏壓柱，在正截面破壞時可以達(dá)到較好的延性，可以吸收和耗散地震能量，使內(nèi)力重分布得以充分發(fā)展。而鋼筋混凝土梁柱在受到較大剪力時，往往呈現(xiàn)脆性剪切破壞。所以在進(jìn)行框架梁、柱設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)人為加大柱端、梁端和節(jié)點(diǎn)的組合剪力值，即人為加大這些部位相對于正截面承載力的抗剪能力，使結(jié)構(gòu)能在大震引起的交替非彈性變形過程中，其任何部位都不會首先發(fā)生剪切破壞，即“強(qiáng)剪弱彎”措施。

1.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件及其它提高延性的措施

關(guān)于“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)方面，首先要明確節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理和剪力傳遞機(jī)理，以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中間層中節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行討論，其它部位節(jié)點(diǎn)與之類似。對于框架中間層中節(jié)點(diǎn)在高烈度區(qū)強(qiáng)震作用下，因地震引起的彎矩在所有組合彎矩中所占比重很大，將形成一側(cè)梁端彎矩為負(fù)，另一側(cè)梁端彎矩為正的局面，而與之相平衡的上下柱端彎矩也會很大。這時梁（或柱）都會通過鋼筋和混凝土把大部分剪力傳入節(jié)點(diǎn)，形成水平（或豎向）剪力，只有少部分傳給上、下柱（或左右梁）中。

而傳入節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力主要靠三種抗剪機(jī)構(gòu)承擔(dān)。第一種機(jī)構(gòu)稱為“桁架機(jī)構(gòu)”，它是由梁、柱縱筋與混凝土界面上的粘結(jié)力經(jīng)核心區(qū)周邊剪力流傳入，這樣形成一個斜向主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，當(dāng)?shù)卣鸱聪驎r，主應(yīng)力方向也反向。一旦主拉應(yīng)力超過混凝土雙向受力時的抗拉強(qiáng)度，核心區(qū)混凝土就會產(chǎn)生斜裂縫，則原來由混凝土承擔(dān)的主拉應(yīng)力就將改由平行受力方向的節(jié)點(diǎn)沿受力方向的箍肢和縱筋承擔(dān)剪力。第二種機(jī)構(gòu)稱為“斜壓桿機(jī)構(gòu)”，它是由梁、柱端混凝土壓力引起的核心區(qū)承擔(dān)剪力的機(jī)構(gòu)。與第一種機(jī)構(gòu)相比，第二種機(jī)構(gòu)形成的斜向壓應(yīng)力只分布在對角線方向的一個帶寬范圍內(nèi)。第三種機(jī)構(gòu)是一種間接參與抗節(jié)點(diǎn)剪力的機(jī)構(gòu)，就是通過節(jié)點(diǎn)水平箍筋對核心區(qū)的約束作用，成為“約束機(jī)構(gòu)”。

對于中間層中節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)表明隨著剪壓比的增大，在反復(fù)地震作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土承擔(dān)的斜向壓力增大。特別是我國規(guī)范規(guī)定的梁筋貫穿段粘結(jié)條件偏弱的情況下，隨著貫穿段粘結(jié)退化，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)“桁架機(jī)構(gòu)”有所減弱，而“斜壓桿機(jī)構(gòu)”作用增強(qiáng)。梁端屈服后，在節(jié)點(diǎn)組合體非線性變形增大的過程中，斜壓混凝土受力及橫向膨脹增長，加之節(jié)點(diǎn)交替正反向受力，破碎逐步嚴(yán)重，使節(jié)點(diǎn)箍筋各肢普遍屈服，約束力達(dá)到極限，最終因混凝土斜向壓潰而形成節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的斜壓型剪切失效。

如前所述，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力狀況非常復(fù)雜，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時只有保證各節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)脆性剪切破壞，才能使梁、柱充分發(fā)揮其承載能力和變形能力。即在梁、柱塑性鉸順序出現(xiàn)完成之前，節(jié)點(diǎn)區(qū)不能過早破壞。

此外，框架的延性設(shè)計(jì)還包括柱軸壓比限制。軸壓比是影響柱的延性的重要因素之一，柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低。控制軸壓比的實(shí)質(zhì)就是希望框架柱在地震作用下，仍能實(shí)現(xiàn)大偏心受壓下的彎曲破壞，使柱具有延性性質(zhì)。箍筋方面，在塑性鉸區(qū)配置足夠的箍筋，可約束核心混凝土，顯著提高塑性鉸區(qū)混凝土的極限應(yīng)變值，提高抗壓強(qiáng)度，防止斜裂縫的開展，從而可充分發(fā)揮塑性鉸的變形和耗能能力，提高梁、柱的延性。另外還有通過限制混凝土受壓區(qū)相對高度x/h0以及縱筋配筋率等措施來提高結(jié)構(gòu)延性。試驗(yàn)表明：鋼筋混凝土單筋梁的變形能力，隨截面混凝土受壓區(qū)相對高度x/h0的減小而增大，而x/h0隨著縱筋配筋率的增大、鋼筋屈服強(qiáng)度的提高和混凝土強(qiáng)度等級的降低而增大，延性性能降低。

2 以具體構(gòu)件為例說明抗震措施

2.1 提高框架梁延性的措施

對于框架梁影響其延性的因素及保證高延性的措施有：①縱筋配筋率ρ。保證縱筋配筋率不至于過大。②截面相對受壓區(qū)高度。截面相對受壓區(qū)高度也要控制在一定范圍內(nèi)，試驗(yàn)研究表明，當(dāng) x/h0＝0.20～0.35，延性即可達(dá)3～4。③剪壓比λ。試驗(yàn)研究表明，在塑性鉸區(qū)，λ對梁的延性、耗能影響大。當(dāng)λ>0.15時，梁的強(qiáng)度和剛度即有明顯退化現(xiàn)象。因此，要控制梁的剪壓比，防止梁斜壓破壞。④跨高比。梁隨其跨高比減小，剪力影響增大，剪切變形比重加大，延性變?nèi)?。?guī)范規(guī)定不宜小于4。⑤塑性鉸區(qū)的箍筋量。對梁端塑性鉸區(qū)進(jìn)行箍筋加密等措施能有效提高塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力，提高延性。⑥梁端受力縱筋在節(jié)點(diǎn)處有可靠的粘結(jié)錨固。⑦按“強(qiáng)剪弱彎”原則對梁中剪力進(jìn)行調(diào)整，避免過早形成剪切壞形態(tài)。

2.2 提高框架柱延性的措施

對于框架柱影響其延性的因素及保證高延性的措施有：①軸壓比n。柱位移延性會隨n的增大而急劇下降，因此限制柱的軸壓比不能太大。②剪跨比λ。試驗(yàn)表明：λ>2屬于長柱，壓彎型破壞，有一定的變形能力；λ＝1.5～2，短柱，破壞以剪切為主，有一定延性的剪壓破壞。λ<1.5，極短柱，脆性剪切破壞，抗震性能差，盡量避免。③縱筋配筋率ρ。隨ρ增大，柱縱筋屈服時的轉(zhuǎn)角變形線性增大，因此要限制柱子縱筋最小配筋率。④箍筋。箍筋約束核心混凝土，提高壓區(qū)混凝土的極限應(yīng)變值，阻止柱身斜裂縫的開展提高柱的延性。⑤柱端受力縱筋在節(jié)點(diǎn)處有可靠的粘結(jié)錨固。⑥“強(qiáng)柱弱梁”調(diào)整柱端彎矩，避免形成柱鉸機(jī)制。⑦“強(qiáng)剪弱彎”調(diào)整柱剪力設(shè)計(jì)值。避免過早形成剪切壞形態(tài)。

總之，通過適當(dāng)?shù)目拐鸫胧┍ＷC結(jié)構(gòu)的延性耗能能力，使其在地震作用下不至于迅速倒塌，對保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全有重要意義。

[1]GB50011-2001(2008版).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]楊紅,韋峰,白紹良等.柱增強(qiáng)系數(shù)取值對鋼筋混凝土抗震框架塑性鉸機(jī)構(gòu)的控制結(jié)果[J].工程力學(xué).2005，22（2）:155-161.

[4]張?jiān)ゴǎ畹聵s.加強(qiáng)綜合預(yù)控措施來提高建筑物的抗震減災(zāi)能力[J].地震工程與工程震動.2006，26(3)：54-56.

[5]余瑜.框架節(jié)點(diǎn)抗震構(gòu)造措施[J].建筑技術(shù).2006，37（5）：368-371.

[6]LiBing，Kulkarni,Sudhakar A.Seismic behavior of reinforced concrete exterior wide beam-column joints[J].Journal of Structural Engineering.2010，136（1）：26-36.